JP2008271517A - High frequency power amplifier and amplification method, and semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、携帯電話機などの小型・軽量・低消費電流の移動無線通信機において、高周波信号を増幅する技術に関し、さらに詳しくは高周波電力増幅器、半導体装置、および高周波電力増幅方法の技術に関する。 The present invention relates to a technique for amplifying a high-frequency signal in a small-sized, light-weight and low-current-consumption mobile radio communication device such as a mobile phone, and more particularly to a technique for a high-frequency power amplifier, a semiconductor device, and a high-frequency power amplification method.
携帯電話機に代表される移動機は、高周波電力増幅器を含み、アンテナから固定局まで送信するため、無線周波数帯の信号を十分な大きさの電力に増幅している。この高周波電力増幅器は、小型であること、低消費電力であること、安価に構成できることが要求されている。無線周波数帯の信号を増幅するために、ガリウムヒ素電界効果トランジスタ(GaAsFET:Gallium Arsenide Field−Effect Transistor)、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT:Heterojunction Bipolar Transistor)、およびシリコンゲルマニウムHBT(SiGe−HBT)などの高性能トランジスタが使用されている。 A mobile device typified by a cellular phone includes a high frequency power amplifier and transmits a signal in a radio frequency band to a sufficiently large power for transmission from an antenna to a fixed station. This high-frequency power amplifier is required to be small in size, low in power consumption, and inexpensive. In order to amplify radio frequency band signals, gallium arsenide field-effect transistors (GaAsFETs), heterojunction bipolar transistors (HBTs), and silicon germanium HBTs (SiGe-HBTs) are used. High performance transistors are used.
変調された無線周波数帯の信号は、この高周波電力増幅器により100倍から10000倍の電力まで増幅され、アンテナ端から送信される。このような高い増幅性能を得るために、高周波電力増幅器は複数段を接続した多段構成を採用する。各段には前述の高性能トランジスタが使用される。各段で増幅された信号は次の増幅段へ入力され、増幅段を経るにつれ信号の振幅は大きくなる。最終段では1W程度まで信号が増幅される。 The modulated radio frequency band signal is amplified from 100 times to 10,000 times by the high frequency power amplifier and transmitted from the antenna end. In order to obtain such high amplification performance, the high-frequency power amplifier employs a multistage configuration in which a plurality of stages are connected. The above-described high-performance transistor is used for each stage. The signal amplified at each stage is input to the next amplification stage, and the amplitude of the signal increases as it passes through the amplification stage. In the final stage, the signal is amplified to about 1 W.
高周波電力増幅器の出力端はアンテナに繋がっている。アンテナは携帯電話機に取り付けられているが、他方が空間に終端されている。アンテナに金属などの遮蔽物が近づくと、取り付け部のインピーダンスが大きく変動する。この変動は高周波電力増幅器の特性と信頼性を損なう。また、この変動は、最終段の増幅用トランジスタを異常発振させる可能性があり、増幅された大電力の信号が反射して破壊に至ることもある。 The output end of the high frequency power amplifier is connected to the antenna. The antenna is attached to the mobile phone, but the other is terminated in space. When a shielding object such as a metal approaches the antenna, the impedance of the mounting portion varies greatly. This variation impairs the characteristics and reliability of the high frequency power amplifier. In addition, this fluctuation may cause the final stage amplification transistor to oscillate abnormally, and the amplified high-power signal may be reflected and destroyed.
近年多くの携帯電話機や無線端末で採用されている符号分割多重接続(CDMA:Code Division Multiple Access)や無線構内通信網(WLAN:Wireless Local Area Network)などのディジタル変調方式では、変調信号に振幅変化と位相変化を伴うために、高周波電力増幅器に対して直線性が求められている。前述のインピーダンス変動は高周波電力増幅器の直線性に悪影響を及ぼすので、出力される変調信号に歪みが生じて携帯電話機の伝送品質を悪化させる。 In digital modulation schemes such as code division multiple access (CDMA) and wireless local area network (WLAN), which have been adopted in many mobile phones and wireless terminals in recent years, amplitude changes in the modulation signal Therefore, linearity is required for a high-frequency power amplifier. The impedance fluctuation described above adversely affects the linearity of the high-frequency power amplifier, so that the output modulation signal is distorted to deteriorate the transmission quality of the mobile phone.
これを回避するために、携帯電話機にはアイソレータあるいはサーキュレータなどの方向性を有する部品が搭載されている。このような方向性を有する部品を高周波電力増幅器とアンテナとの間に配置して、高周波電力増幅器からアンテナへ信号の方向性を持たせば、アンテナから高周波電力増幅器に信号が戻らず、アンテナのインピーダンス変動も高周波電力増幅器側では観測されない。一方、アイソレータやサーキュレータなどの方向性を有する部品は、磁石やフェライトなどの部材で構成されており、小型化・軽量化・高集積化に大きな制限がある。近年の携帯電話機では、小型化および低価格化を優先して、このような方向性を有する部品が省略される傾向がある。 In order to avoid this, parts having directionality such as an isolator or a circulator are mounted on the mobile phone. If a component having such directivity is arranged between the high-frequency power amplifier and the antenna so that the signal has directivity from the high-frequency power amplifier to the antenna, the signal does not return from the antenna to the high-frequency power amplifier. Impedance fluctuation is not observed on the high frequency power amplifier side. On the other hand, directional parts such as isolators and circulators are composed of members such as magnets and ferrite, and there are significant restrictions on miniaturization, weight reduction, and high integration. In recent mobile phones, there is a tendency that parts having such directionality are omitted in preference to miniaturization and price reduction.
図12は、ワイドバンドCDMA(W−CDMA:Wideband−CDMA)方式を採用する携帯電話機に搭載されている、無線周波数帯の送受信回路部の一例である。変復調ICからの送信は、フィルタ90を通って高周波電力増幅器92に入力される。高周波電力増幅器92の出力側には、アイソレータ93が接続されている。アイソレータ93は高周波スイッチ94を経由して、アンテナ95と接続されている。
FIG. 12 is an example of a transmission / reception circuit unit in a radio frequency band that is mounted on a mobile phone adopting a wideband CDMA (W-CDMA: Wideband-CDMA) system. Transmission from the modem IC is input to the high
図13は、特開2000−341052号公報に開示されている電力増幅器の保護回路である。保護回路は、最終段トランジスタのコレクタ端に所定以上の電圧が印加された際に、最終段トランジスタのベース・コレクタ間に配置した素子を経由して帰還電流を流すことにより、アイソレータを省略しても高周波電力増幅器を保護できる回路である。 FIG. 13 is a power amplifier protection circuit disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-341052. The protection circuit eliminates the isolator by flowing a feedback current through an element arranged between the base and collector of the final stage transistor when a voltage higher than a predetermined voltage is applied to the collector terminal of the final stage transistor. Is a circuit that can protect the high-frequency power amplifier.
図14は、特開2004−140633号公報に開示されている、高周波電力増幅用電子部品と無線通信システムである。最終段に使用されている高周波信号を増幅するためのトランジスタの出力端子と、出力レベルを検出する回路ODTのカレントミラー回路を構成するトランジスタのゲート端子との間に容量素子を介在させ、アンテナのインピーダンス変動に伴う出力電力の変化を出力レベル検出回路の検出電流に反映させるようにしている。 FIG. 14 shows an electronic component for high frequency power amplification and a wireless communication system disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-140633. A capacitive element is interposed between the output terminal of the transistor for amplifying the high-frequency signal used in the final stage and the gate terminal of the transistor constituting the current mirror circuit of the circuit ODT for detecting the output level. A change in output power due to impedance variation is reflected in the detection current of the output level detection circuit.
さらに、特開2005−045471号公報では、電力増幅回路の入力端および出力端にそれぞれ検波回路を接続し、2つの検波回路の出力を比較回路で比較して利得変動を検出している。この利得変動に基づいて増幅回路の利得を制御することにより、増幅回路の線形性を改善するように構成している。
従来技術では、W−CDMA方式を採用する携帯電話機を構成する技術として、図12に示したような範囲の技術で構成される送受信回路部に、高周波電力増幅器が含まれている。この構成では、アンテナ95のインピーダンス変動に伴う保護回路が、高周波電力増幅器92に含まれていない。携帯電話機の伝送品質を維持し、安定に動作させるためには、アイソレータ93を接続しなければならない。アイソレータ93はフェライトや永久磁石などで構成されているので、サイズだけでなく、重量的にも携帯電話機などの移動機の小型・軽量化の障害になる。
In the prior art, as a technology for configuring a mobile phone adopting the W-CDMA system, a high-frequency power amplifier is included in a transmission / reception circuit unit configured by a technology in a range as shown in FIG. In this configuration, the high-
一方、電気的には、順方向通過特性の損失が0dBであることが理想であるが、実際には、0.5dBから1dB程度の損失を有している。アイソレータ93は、高周波電力増幅器92とアンテナ95との間に挿入しなければならないので、アイソレータ93で損失する電力を考慮して、高周波電力増幅器92の出力レベルを上げる必要がある。このことは、高周波電力増幅器の消費電力を増加させる要因であり、携帯電話機の通話時間が短くなるか、電池の容量を増やすことになる。
On the other hand, it is ideal that the loss of the forward pass characteristic is 0 dB, but in reality, the loss is about 0.5 dB to 1 dB. Since the
上述した課題を解決するために、特開2000−341052号公報に開示されている電力増幅器の保護回路が提案されている(図13を参照)。この保護回路では、高周波電力増幅器の出力端に終端されている負荷が変動した場合に、コレクタ端に印加される所定以上の電圧により保護回路を起動させようとしている。しかしながら、この保護回路を含む技術は、欧州が標準化した第2世代のディジタル携帯電話システムであるGSM(Global System for Mobile Communications)方式への適用に言及されているものである。 In order to solve the above-described problem, a power amplifier protection circuit disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-341052 has been proposed (see FIG. 13). In this protection circuit, when the load terminated at the output terminal of the high-frequency power amplifier fluctuates, the protection circuit is started by a voltage higher than a predetermined voltage applied to the collector terminal. However, the technology including this protection circuit is mentioned for application to a GSM (Global System for Mobile Communications) system, which is a second generation digital cellular phone system standardized by Europe.
また、別の従来例として、特開2004−140633号公報に開示されている技術がある。この従来例では、最終段の増幅用トランジスタに対してカレントミラー回路を構成し、アンテナのインピーダンス変動に伴って発生する電流変化を検出することで、高周波電力増幅器を保護しようとしている(図14を参照)。この回路構成についても、GSM方式およびこれと類似するDCS(Digital Cellular System)方式にしか言及されていない。さらには、いずれの技術についても、負荷変動時の高周波電力増幅器の破壊に対する保護について言及されているが、変調信号の変調精度の劣化、信号波形の歪み成分の増加に伴う隣接チャネルへの悪影響など、伝送品質の劣化を改善する技術は開示されていない。 As another conventional example, there is a technique disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-140633. In this conventional example, a current mirror circuit is configured for the amplification transistor at the final stage, and a current change generated along with an impedance variation of the antenna is detected to protect the high-frequency power amplifier (see FIG. 14). reference). With regard to this circuit configuration, only the GSM system and a DCS (Digital Cellular System) system similar to this are mentioned. Furthermore, although both technologies mention protection against destruction of the high-frequency power amplifier when the load fluctuates, deterioration of modulation accuracy of the modulation signal, adverse effects on adjacent channels due to increase in distortion components of the signal waveform, etc. A technique for improving the deterioration of transmission quality is not disclosed.
GSM方式およびDCS方式に用いられる変調方式では、発生する変調信号に振幅変化が含まれない。したがって、従来例で開示されている技術では、アンテナが正常に終端されている状態から、負荷変動が生じている状態への変化について、最終段の信号増幅用トランジスタのコレクタ端における、高周波信号の電力変化、電圧変化、および電流変化を観測することにより検出することができる。しかしながら、W−CDMA方式をはじめ、CDMA方式、PDC(Personal Digital Cellular)方式、EDGE(Enhanced Data GSM Environment)方式、WLANなどのディジタル変調方式では、変調された信号は常に信号レベルの振幅変化を伴うので、開示されている技術では、変調信号の振幅変化と、負荷の変動による振幅変化を区別することができない。 In the modulation schemes used for the GSM scheme and the DCS scheme, the amplitude signal is not included in the generated modulation signal. Therefore, in the technique disclosed in the conventional example, regarding the change from the state where the antenna is normally terminated to the state where the load fluctuation occurs, the high-frequency signal at the collector end of the signal amplification transistor at the final stage is changed. It can be detected by observing power changes, voltage changes, and current changes. However, in the W-CDMA system, CDMA system, PDC (Personal Digital Cellular) system, EDGE (Enhanced Data GSM Environment) system, WLAN, and other digital modulation systems, the modulated signal always has a signal level amplitude change. Therefore, the disclosed technique cannot distinguish between the amplitude change of the modulation signal and the amplitude change due to the load variation.
図15、図16A、図16B、図17A、および図17Bに、従来例による高周波電力増幅器の50Ω終端時の入出力特性を示す。図15、図16A、および図16Bに示すように、飽和領域では、入力される信号レベルに対して出力電力が一定(図15)なので、コレクタに流れる電流振幅(図16B)、およびコレクタに印加されている電圧振幅(図16A)は一定になる。一方、図15、図17A、および図17Bに示すように、非飽和領域では、入力される信号の電力レベルに応じて、出力電力が変化する(図15)ので、コレクタに流れる電流振幅(図17B)、コレクタに印加されている電圧振幅(図17A)も変化している。 15, FIG. 16A, FIG. 16B, FIG. 17A, and FIG. 17B show input / output characteristics at the time of 50Ω termination of the conventional high-frequency power amplifier. As shown in FIG. 15, FIG. 16A, and FIG. 16B, in the saturation region, the output power is constant with respect to the input signal level (FIG. 15). The applied voltage amplitude (FIG. 16A) is constant. On the other hand, as shown in FIG. 15, FIG. 17A, and FIG. 17B, in the non-saturated region, the output power changes according to the power level of the input signal (FIG. 15). 17B), the voltage amplitude applied to the collector (FIG. 17A) also changes.
GSM方式およびDCS方式では、変調信号に振幅変化を含まないので、高周波電力増幅器を飽和領域で使用することができる。しかも入力される信号に振幅変化がないので、出力電力が一定であり、コレクタの電流振幅、電圧振幅も一定値で安定している。このような条件においては、アンテナのインピーダンスが変動し、高周波電力増幅器の動作状態が変化しても、検出される出力電力、電流振幅、および電圧振幅の変化は、すべて負荷変動に起因するものとして検出することが可能である。 In the GSM system and the DCS system, the amplitude change is not included in the modulation signal, so that the high frequency power amplifier can be used in the saturation region. Moreover, since there is no amplitude change in the input signal, the output power is constant, and the current amplitude and voltage amplitude of the collector are also stable at a constant value. Under these conditions, even if the impedance of the antenna fluctuates and the operating state of the high-frequency power amplifier changes, the detected output power, current amplitude, and voltage amplitude change are all caused by load fluctuations. It is possible to detect.
これに対して、W−CDMA方式のように、非飽和領域で高周波電力増幅器を使用するディジタル変調システムの場合、50Ωで終端されている正常動作時であっても、入力される変調信号はつねに振幅変化をしている。このため、出力電力、電流振幅、および電圧振幅は常に変化しており、一定値をとらない。したがって、アンテナのインピーダンスが変動し、高周波電力増幅器の動作状態が変化したとしても、最終段の増幅用トランジスタのコレクタ端で検出される出力電力、電流振幅、および電圧振幅の変化から、負荷変動に起因する変化分を電気的に検出することはできない。 On the other hand, in the case of a digital modulation system using a high-frequency power amplifier in a non-saturated region, such as the W-CDMA system, an input modulation signal is always received even during normal operation terminated at 50Ω. The amplitude is changing. For this reason, the output power, the current amplitude, and the voltage amplitude constantly change and do not take constant values. Therefore, even if the impedance of the antenna fluctuates and the operating state of the high-frequency power amplifier changes, the change in output power, current amplitude, and voltage amplitude detected at the collector terminal of the amplification transistor at the final stage can cause load fluctuation. The resulting change cannot be detected electrically.
さらに、特開2005−045471号公報による構成では、電力増幅回路の入出力端から利得変動を検出している。この場合、金属などの遮蔽物が接近し、電力増幅回路の出力端に接続されているアンテナの終端インピーダンスが変動すれば、電力増幅回路自身の利得を正確に検出することができない。その結果、線形性の改善ができないだけでなく、出力端の検出電力がアンテナの終端インピーダンスの変動により減少すると前段の利得が大きくなり、前段のトランジスタが破損することにもなりかねない。また、電力増幅回路の入出力端の利得は、通常30〜40dB程度と大きく設定されるので、入出力端からの利得検出は誤差が大きくなり、線形性の改善は不十分になる。 Furthermore, in the configuration disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-054771, gain fluctuation is detected from the input / output terminal of the power amplifier circuit. In this case, if a shield such as metal approaches and the terminal impedance of the antenna connected to the output terminal of the power amplifier circuit varies, the gain of the power amplifier circuit itself cannot be detected accurately. As a result, not only the linearity cannot be improved, but also if the detected power at the output end decreases due to the variation of the termination impedance of the antenna, the gain at the previous stage increases, and the transistor at the previous stage may be damaged. In addition, since the gain at the input / output end of the power amplifier circuit is usually set to a large value of about 30 to 40 dB, the gain detection from the input / output end has a large error, and the linearity improvement is insufficient.
本発明は、上述した従来の課題を解決するもので、振幅変動を伴う変調信号を増幅する高周波電力増幅器において、負荷インピーダンス変動を効果的に検出することにより、高周波電力増幅器の動作を安定化するとともに、増幅器の非線形性を効果的に検出することにより、増幅器の線形性を改善することを目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problems, and stabilizes the operation of the high-frequency power amplifier by effectively detecting the load impedance fluctuation in the high-frequency power amplifier that amplifies the modulation signal accompanied by the amplitude fluctuation. Another object is to improve the linearity of the amplifier by effectively detecting the nonlinearity of the amplifier.
上述した課題を解決するために、本発明の高周波電力増幅器は、第1変調信号を第2変調信号に増幅する第1増幅段と、第2変調信号を第3変調信号に増幅する第2増幅段と、第2変調信号および第3変調信号に基づいて、前記第2増幅段の利得の変化を検出し、利得変化検出信号を生成する利得変化検出部と、を有し、前記第1増幅段または前記第2増幅段のうち少なくとも一方は、利得変化検出信号に基づいて利得が変化する。 In order to solve the above-described problems, a high-frequency power amplifier according to the present invention includes a first amplification stage that amplifies a first modulation signal into a second modulation signal, and a second amplification that amplifies the second modulation signal into a third modulation signal. And a gain change detecting unit that detects a change in gain of the second amplification stage based on the second modulation signal and the third modulation signal and generates a gain change detection signal, and the first amplification At least one of the stage and the second amplification stage changes in gain based on the gain change detection signal.
また、本発明の半導体装置は、上述した高周波電力増幅器を、半導体チップで構成している。 In the semiconductor device of the present invention, the above-described high-frequency power amplifier is constituted by a semiconductor chip.
さらに、本発明の高周波電力増幅方法は、第1変調信号を第2変調信号に増幅するステップと、第2変調信号を第3変調信号に増幅するステップと、第2変調信号および第3変調信号に基づいて、前記第3変調信号に増幅するステップにおける利得の変化を検出し、利得変化検出信号を生成するステップと、を有し、前記第2変調信号に増幅するステップまたは前記第3変調信号に増幅するステップのうち少なくとも一方は、利得変化検出信号に基づいて利得が変化する。 Furthermore, the high frequency power amplification method of the present invention includes a step of amplifying the first modulation signal to the second modulation signal, a step of amplifying the second modulation signal to the third modulation signal, the second modulation signal and the third modulation signal. And detecting a change in gain in the step of amplifying the third modulated signal to generate a gain change detection signal, and amplifying the second modulated signal or the third modulated signal. In at least one of the steps of amplifying the gain, the gain changes based on the gain change detection signal.
以上のように、本発明の高周波電力増幅器、半導体装置、および高周波電力増幅方法によれば、W−CDMA方式のように、変調信号に振幅変化を伴うディジタル変調信号を増幅しアンテナへ供給する高周波電力増幅器において、アイソレータのような方向性を有する部品が無くても、負荷変動に伴う大電力変動による破壊から高周波電力増幅器を保護し、小型・軽量、低消費電力で、安定に動作する高周波電力増幅器を提供できる。さらに、変調信号の変調精度の劣化、および信号波形の歪み成分の増加に伴う隣接チャネルへの悪影響を防ぐことができるので、送信品質の高い高周波電力増幅器を提供できる。以上のように、高周波電力増幅器および高周波電力増幅器を搭載する移動機の動作を安定化することが可能となる。 As described above, according to the high-frequency power amplifier, the semiconductor device, and the high-frequency power amplification method of the present invention, as in the W-CDMA system, a high-frequency power is amplified and supplied to an antenna by amplifying a digital modulation signal with an amplitude change in the modulation signal Even if there is no directional component such as an isolator in the power amplifier, the high-frequency power amplifier is protected from damage due to large power fluctuations due to load fluctuations, and is compact, lightweight, low power consumption, and stable operation. An amplifier can be provided. In addition, since it is possible to prevent the deterioration of the modulation accuracy of the modulation signal and the adverse effect on the adjacent channel due to an increase in the distortion component of the signal waveform, it is possible to provide a high-frequency power amplifier with high transmission quality. As described above, it is possible to stabilize the operation of the high frequency power amplifier and the mobile device equipped with the high frequency power amplifier.
以下、本発明を実施するための最良の形態に関するいくつかの例について、図面を参照しながら説明する。なお、図面において、実質的に同一の構成、動作、および効果を表す要素については、同一の符号を付す。また、以下において記述される数字は、すべて本発明を具体的に説明するために例示するものであり、本発明は例示された数字に制限されない。さらに、ハイ/ローで表される論理レベルまたはオン/オフで表されるスイッチング状態は、本発明を具体的に説明するために例示するものであり、例示された論理レベルまたはスイッチング状態が異なる組合せで、同等な結果を得ることも可能である。また、構成要素間の接続関係は、本発明を具体的に説明するために例示するものであり、本発明の機能を実現する接続関係はこれに限定されない。さらに、以下の実施の形態は、ハードウェアおよび/またはソフトウェアを用いて構成されるが、ハードウェアを用いる構成は、ソフトウェアを用いても構成可能であり、ソフトウェアを用いる構成は、ハードウェアを用いても構成可能である。 Several examples relating to the best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings. In the drawings, elements that represent substantially the same configuration, operation, and effect are denoted by the same reference numerals. In addition, all the numbers described below are exemplified for specifically explaining the present invention, and the present invention is not limited to the illustrated numbers. Furthermore, the logic level represented by high / low or the switching state represented by on / off is exemplified to specifically describe the present invention, and the illustrated logic levels or switching states are different combinations. It is possible to obtain an equivalent result. In addition, the connection relationship between the components is exemplified for specifically explaining the present invention, and the connection relationship for realizing the function of the present invention is not limited to this. Furthermore, although the following embodiments are configured using hardware and / or software, the configuration using hardware can also be configured using software, and the configuration using software uses hardware. Can be configured.
(実施の形態1)
図1は、実施の形態1の高周波電力増幅器の一構成例を示す等価回路図である。図1に示すように、実施の形態1の高周波電力増幅器は、増幅用トランジスタ1、整合回路7、および駆動段2を含む。増幅器入力端子P1には、増幅器入力信号Pinが入力される。増幅用トランジスタ1は最終段1または増幅段1とも呼ばれ、駆動段2は増幅段2とも呼ばれ、増幅器入力信号Pinは変調信号とも呼ばれる。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is an equivalent circuit diagram showing a configuration example of the high-frequency power amplifier according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the high-frequency power amplifier according to the first embodiment includes an amplifying
変調信号は、変調方式に基づいて、搬送波を被変調信号で変調することにより生成される。被変調信号は、携帯電話の場合、音声信号やインターネットデータ信号であり、無線構内通信網(WLAN:Wireless Local Area Network)の場合、インターネットデータ信号などである。この場合、変調信号は、符号分割多重接続(CDMA:Code Division Multiple Access)のように、被変調信号に応じて、位相変動だけでなく振幅変動を伴う。変調信号は、携帯電話の場合、800MHzから2GHz超までの周波数帯域、WLANの場合、2.4GHzから5GHz超までの周波数帯域を有する。実施の形態1の高周波電力増幅器は、このような周波数帯域において振幅変動を伴う変調信号を電力増幅する。 The modulation signal is generated by modulating the carrier wave with the modulated signal based on the modulation method. The modulated signal is an audio signal or an internet data signal in the case of a mobile phone, and an internet data signal in the case of a wireless local area network (WLAN). In this case, the modulation signal involves not only phase fluctuation but also amplitude fluctuation in accordance with the modulated signal, such as code division multiple access (CDMA). The modulation signal has a frequency band from 800 MHz to over 2 GHz in the case of a cellular phone, and a frequency band from 2.4 GHz to over 5 GHz in the case of WLAN. The high frequency power amplifier according to the first embodiment amplifies the power of a modulation signal accompanied by amplitude fluctuation in such a frequency band.
増幅器入力信号Pinは、駆動段2に含まれ、エミッタ端子が接地されるトランジスタのベース端子に入力され、駆動段2により駆動段出力信号S2に増幅され、コレクタ端子から出力される。駆動段出力信号S2は変調信号とも呼ばれ、ベース端子は入力端子とも呼ばれ、エミッタ端子は共通端子とも呼ばれ、コレクタ端子は出力端子とも呼ばれる。駆動段出力信号S2は、整合回路74を介して増幅用トランジスタ入力信号S1Aとなり、増幅用トランジスタ1のベース端子1Aに入力される。増幅用トランジスタ入力信号S1Aは最終段入力信号または変調信号とも呼ばれ、ベース端子1Aは入力端子とも呼ばれる。整合回路74は、例えば、1個のコンデンサで構成され、入出力のインピーダンスを整合し、駆動段出力信号S2を増幅用トランジスタ入力信号S1Aに変換する。整合回路74は、結合コンデンサの機能を兼ねる。
The amplifier input signal Pin is input to the base terminal of a transistor that is included in the
増幅用トランジスタ入力信号S1Aは、エミッタ端子1Cが接地された(すなわち、エミッタ接地の)増幅用トランジスタ1により、増幅用トランジスタ出力信号S1Bに増幅され、コレクタ端子1Bから出力される。増幅用トランジスタ出力信号S1Bは最終段出力信号または変調信号とも呼ばれ、エミッタ端子1Cは共通端子とも呼ばれ、コレクタ端子1Bは出力端子とも呼ばれる。増幅用トランジスタ出力信号S1Bは、整合回路7を介して増幅器出力信号Poutとなり、増幅器出力端子P2から出力され、アンテナ(不図示)に供給される。増幅器出力信号Poutは変調信号とも呼ばれる。
The amplifying transistor input signal S1A is amplified to an amplifying transistor output signal S1B by the amplifying
すなわち、増幅用トランジスタ1は、変調信号S1Aを、入力端子1Aと共通端子1Cとの間に入力し、変調信号S1Aを変調信号S1Bに増幅し、出力端子1Bと共通端子1Cとの間から出力する。駆動段2のコレクタ端子および増幅用トランジスタ1のコレクタ端子1Bには、回路電源から電源電圧Vccが、インダクタンス負荷L2、L1を介して、それぞれ供給される。
That is, the amplifying
整合回路7は、例えば、入力端子に一端が接続されるインダクタンス7L、インダクタンス7Lの他端と接地端子との間に接続されるコンデンサ7C1、およびインダクタンス7Lの他端と出力端子との間に接続されるコンデンサ7C2を含む。整合回路7により、整合回路7の入出力のインピーダンスは整合され、増幅用トランジスタ出力信号S1Bから増幅器出力信号Poutへ変換される。すなわち、増幅用トランジスタ1の出力インピーダンスは、増幅器出力端子P2からアンテナに至る50オームの伝送線路インピーダンスに整合される。整合回路7は整合部とも呼ばれる。
The
増幅用トランジスタ1には、増幅用トランジスタ入力信号S1Aの大きさを表す検出出力信号S3を生成する検出回路3と、増幅用トランジスタ出力信号S1Bの大きさを表す検出出力信号S4を生成する検出回路4が接続される。検出回路3では、増幅用トランジスタ1により増幅される周波数帯域において、増幅用トランジスタ入力信号S1Aが検波され、大略直流電圧を表す検出出力信号S3に変換される。検出回路4では、増幅用トランジスタ1により増幅される周波数帯域において、増幅用トランジスタ出力信号S1Bが検波され、大略直流電圧を表す検出出力信号S4に変換される。各検出出力信号S3、S4は、単に検出信号とも呼ばれる。
The
検出回路3は、コンデンサ3C1、抵抗3R、整流用ダイオード3D、およびコンデンサ3C2を含む。コンデンサ3C1は、増幅用トランジスタ1のベース端子1Aに接続され、増幅用トランジスタ入力信号S1Aの直流成分を遮断する。抵抗3Rは、コンデンサ3C1の他端に接続され、増幅用トランジスタ入力信号S1Aの信号レベルの減衰量を調整する。整流用ダイオード3Dは、抵抗3Rの他端にアノード端子が接続される。コンデンサ3C2は、整流用ダイオード3Dのカソード端子と接地端子との間に接続され、交流成分をバイパスさせる。
The
検出回路4は、検出回路3と同様に構成され、コンデンサ4C1、抵抗4R、整流用ダイオード4D、およびコンデンサ4C2を含む。コンデンサ4C1は、増幅用トランジスタ1のコレクタ端子1Bに接続され、増幅用トランジスタ出力信号S1Bの直流成分を遮断する。抵抗4Rは、コンデンサ4C1の他端に接続され、増幅用トランジスタ出力信号S1Bの信号レベルの減衰量を調整する。整流用ダイオード4Dは、抵抗4Rの他端にアノード端子が接続される。コンデンサ4C2は、整流用ダイオード4Dのカソード端子と接地端子との間に接続され、交流成分をバイパスさせる。
The
各検出回路3、4の接続による増幅用トランジスタ入力信号S1Aおよび増幅用トランジスタ出力信号S1Bの損失を最小限に止めるため、各コンデンサ3C1、3C2は、十分小さく設定される。抵抗3Rとダイオード3Dとの間には、検出電力S3Pが現れ、抵抗4Rとダイオード4Dとの間には、検出電力S4Pが現れる。増幅器出力端子P2が50オームで終端される場合に、すなわち後述する負荷インピーダンス変動が無い場合に、各検出電力S3P、S4Pが互いに大略等しくなるように、増幅用トランジスタ1の電力利得分だけ、抵抗4Rの大きさを抵抗3Rよりも大きくする。この場合、コンデンサ3C2両端の検出出力信号S3の大きさと、コンデンサ4C2両端の検出出力信号S4の大きさは、大略等しくなる。例えば、増幅用トランジスタ1の電力利得は10倍であり、各コンデンサ3C1、4C1は1pF、抵抗3Rは10オーム、抵抗4Rは100オームである。
In order to minimize the loss of the amplification transistor input signal S1A and the amplification transistor output signal S1B due to the connection of the
検出出力信号S3と検出出力信号S4は、それぞれ差動増幅回路5の反転入力端子と非反転入力端子に入力される。差動増幅回路5からは、検出出力信号S4から検出出力信号S3を差し引いた差信号を表す利得変化検出信号S5が出力される。差動増幅回路5は、差動増幅回路に限らず、2つの入力信号の差信号を生成するように機能するブロックであればよく、この意味で差分部とも呼ばれる。上述したように、負荷インピーダンス変動が無い場合、各検出出力信号S3、S4は互いに大略等しいため、利得変化検出信号S5は大略ゼロとなる。
The detection output signal S3 and the detection output signal S4 are input to the inverting input terminal and the non-inverting input terminal of the
検出回路3、検出回路4、および差動増幅回路5を含む構成は、利得変化検出部とも呼ばれる。このように、利得変化検出部は、増幅用トランジスタ入力信号S1Aおよび増幅用トランジスタ出力信号S1Bに基づいて、増幅用トランジスタ1の電力利得の変化を検出し、利得変化検出信号S5を生成する。利得変化検出信号S5は、増幅用トランジスタ1の利得が大きくなるにつれて単調増加的に変化する。なお、利得変化検出部は、増幅用トランジスタ出力信号S1Bの代わりに、増幅器出力信号Poutに基づいて利得変化検出信号S5を生成してもよい。なお、利得変化検出部は、増幅用トランジスタ入力信号S1Aの代わりに、駆動段出力信号S2に基づいて利得変化検出信号S5を生成してもよい。
The configuration including the
利得変化検出信号S5は、比較器6Aにおいて所定の基準電圧VrefAと比較され、利得変化検出信号S5が基準電圧VrefAを超えると、比較出力電圧S6Aが出力される。すなわち、比較出力電圧S6Aは、ロー状態からハイ状態になる。比較器6Aは、比較部とも呼ばれる。
The gain change detection signal S5 is compared with a predetermined reference voltage VrefA by the
比較出力電圧S6Aは、ベースバイアス回路70Aに入力される。ベースバイアス回路は、バイアス信号生成部とも呼ばれる。ベースバイアス回路70Aでは、比較出力電圧S6Aはトランジスタ10のベース端子に入力され、トランジスタ10のコレクタ出力は、各トランジスタ8、9のベース端子に入力される。同時に、各トランジスタ8、9のベース端子には、Vbias電源から、電源電圧Vccよりも低い所定電圧Vbiasが供給される。トランジスタ8、9のコレクタ端子にはVcc電源から電源電圧Vccが供給され、トランジスタ8、9のエミッタ端子からは、ベースバイアス電流S8、S9がそれぞれ出力される。ベースバイアス電流S8、S9は、それぞれ駆動段2のベース端子および増幅用トランジスタ1のベース端子1Aに入力され、それぞれを動作させるのに必要な電流量が供給される。増幅用トランジスタ入力信号S1Aに含まれる増幅用トランジスタ1の直流入力電流は、ベースバイアス電流S9に等しい。ベースバイアス電流は、バイアス信号とも呼ばれる。
The comparison output voltage S6A is input to the
ベースバイアス回路70Aでは、比較出力電圧S6Aがロー状態の場合、各トランジスタ8、9はベース電圧が所定電圧Vbiasに設定されて能動状態となり、ベースバイアス電流S8、S9は、それぞれ駆動段2および増幅用トランジスタ1に十分に供給される。一方、比較出力電圧S6Aがハイ状態になると、トランジスタ10はオンされ、したがって各トランジスタ8、9のベース電圧はロー状態となるため、ベースバイアス電流S8、S9はディジタル的に遮断される。
In the
別の実施の形態として、利得変化検出信号S5が、直接、ベースバイアス回路70Aに入力されるように構成してもよい。この場合、ベースバイアス回路70Aは能動状態で動作する。すなわち、利得変化検出信号S5が大きくなるにつれて、トランジスタ10のコレクタ電圧は減少し、したがって各トランジスタ8、9のベース電圧は減少するため、ベースバイアス電流S8、S9はアナログ的に減少する。
As another embodiment, the gain change detection signal S5 may be directly input to the
さらに別の実施の形態として、比較器6Aにおいて利得変化検出信号S5が基準電圧VrefAを超えると、利得変化検出信号S5に比例する比較出力電圧S6Aが出力されるように構成してもよい。この場合、利得変化検出信号S5が基準電圧VrefAまで大きくならなければ、ベースバイアス電流S8、S9は十分に供給され、利得変化検出信号S5が基準電圧VrefAを超えると、ベースバイアス電流S8、S9はアナログ的に減少する。
As yet another embodiment, when the gain change detection signal S5 exceeds the reference voltage VrefA in the
例えばCDMA方式のように増幅器入力信号Pinが振幅変動を伴う変調信号で、負荷変動がない場合、増幅用トランジスタ入力信号S1Aおよび増幅用トランジスタ出力信号S1Bの両方とも、同期して変動する。この場合、利得変化検出信号S5は、上述したように、大略ゼロとなる。 For example, when the amplifier input signal Pin is a modulated signal with amplitude fluctuation and there is no load fluctuation as in the CDMA system, both the amplification transistor input signal S1A and the amplification transistor output signal S1B fluctuate synchronously. In this case, the gain change detection signal S5 is substantially zero as described above.
一方、増幅器出力端子P2における負荷インピーダンスの変動により、増幅用トランジスタ1の電力利得が変化する。増幅用トランジスタ出力信号S1Bは、直接影響を受けて変動するが、増幅用トランジスタ入力信号S1Aは、増幅用トランジスタ1を介するため、影響を受けず変動しない。このため、利得変化検出信号S5は、負荷変動に応じて電圧が変動する。
On the other hand, the power gain of the amplifying
このように、利得変化検出信号S5には、変調信号の振幅変動の影響は現れず、負荷変動の影響のみ現れる。負荷変動が大きくなれば、各ベースバイアス電流S8、S9は遮断されるかまたは減少する。ベースバイアス電流S8が遮断されるかまたは減少すると、駆動段出力信号S2の信号振幅は減少し、増幅用トランジスタ入力信号S1Aの信号振幅は減少する。また、ベースバイアス電流S9が遮断されるかまたは減少すると、増幅用トランジスタ入力信号S1Aの直流成分は減少する。このように、各ベースバイアス電流S8、S9が遮断されるかまたは減少する(すなわち、所定量以下に減少する)と、増幅用トランジスタ入力信号S1Aの信号振幅および直流成分は減少し、その結果、増幅用トランジスタ出力信号S1Bの信号振幅は減少する。すなわち、駆動段2および増幅用トランジスタ1の利得は減少し、増幅用トランジスタ1の増幅動作は安定化される。
Thus, the gain change detection signal S5 does not show the influence of the amplitude fluctuation of the modulation signal, but only the influence of the load fluctuation. When the load fluctuation increases, the base bias currents S8 and S9 are cut off or reduced. When the base bias current S8 is cut off or reduced, the signal amplitude of the drive stage output signal S2 decreases and the signal amplitude of the amplification transistor input signal S1A decreases. When the base bias current S9 is cut off or reduced, the direct current component of the amplification transistor input signal S1A decreases. Thus, when the base bias currents S8 and S9 are cut off or reduced (that is, reduced to a predetermined amount or less), the signal amplitude and DC component of the amplification transistor input signal S1A are reduced, and as a result, The signal amplitude of the amplification transistor output signal S1B decreases. That is, the gains of the driving
以上のように、高周波電力増幅器が、CDMAのような振幅変動を含む変調信号を増幅する場合、アンテナに遮蔽物が接近して負荷インピーダンス変動を受けると、増幅用トランジスタ1のコレクタ端子1Bには、振幅変動と負荷変動の両方が現れる。この場合、各検出回路3、4および差動増幅回路5により生成される利得変化検出信号S5には、負荷変動だけが検出される。
As described above, when the high-frequency power amplifier amplifies a modulation signal including amplitude variation such as CDMA, when a shield approaches the antenna and receives load impedance variation, the
したがって、利得変化検出信号S5が所定値よりも大きくなると、ベースバイアス回路70Aを用いて各ベースバイアス電流S8、S9の大きさを所定量以下に減少させる。これにより、増幅用トランジスタ入力信号S1Aを制御し、増幅用トランジスタ1のコレクタ端子1Bにおける過電流および過電圧を回避することが可能となる。
Therefore, when the gain change detection signal S5 becomes larger than a predetermined value, the
このように、高周波電力増幅器は負荷変動による破壊から保護され、信頼性が増大する。また、このような高周波電力増幅器を搭載する移動機は、負荷変動による焼損を未然に防ぐことが可能になる。それゆえ、高周波電力増幅器および高周波電力増幅器を搭載する移動機の動作は、安定化される。さらに、アイソレータを使用する必要がないので、移動機の小型軽量化が達成される。また、アイソレータの挿入損失も無いので、高周波電力増幅器の消費電力を低減し、携帯電話機の使用時間を長時間化することが可能となる。 In this way, the high frequency power amplifier is protected from destruction due to load fluctuations, and reliability is increased. In addition, a mobile device equipped with such a high-frequency power amplifier can prevent burning due to load fluctuations. Therefore, the operation of the high frequency power amplifier and the mobile device equipped with the high frequency power amplifier is stabilized. Furthermore, since it is not necessary to use an isolator, the mobile device can be reduced in size and weight. In addition, since there is no insertion loss of the isolator, it is possible to reduce the power consumption of the high-frequency power amplifier and extend the usage time of the mobile phone.
比較器6Aおよびベースバイアス回路70Aは、制御部を構成する。実施の形態1では、増幅用トランジスタ1、検出回路3、検出回路4、差動増幅回路5、および制御部を、1個以上の半導体チップで構成する。
The
(実施の形態2)
実施の形態2の高周波電力増幅器を説明する。実施の形態2では、実施の形態1と異なる点を中心に説明する。その他の構成、動作、および効果は、実施の形態1と同等であるので、説明を省略する。
(Embodiment 2)
A high-frequency power amplifier according to the second embodiment will be described. In the second embodiment, a description will be given focusing on differences from the first embodiment. Since other configurations, operations, and effects are the same as those of the first embodiment, description thereof is omitted.
図2は、実施の形態2の高周波電力増幅器の一構成例を示す等価回路図である。図2に示すように、実施の形態2では、ベースバイアス回路70Bは、比較出力電圧S6Aによる制御を受けずに、所定電圧Vbiasに基づいて所定のベースバイアス電流S8、S9を出力する。一方、電源電圧Vcc1は、電池73から、レギュレータ回路72を介して供給される。電源電圧Vcc1は、電源電流も含める意味で直流電力とも呼ばれ、レギュレータ回路72は直流電力生成部とも呼ばれる。
FIG. 2 is an equivalent circuit diagram showing a configuration example of the high-frequency power amplifier according to the second embodiment. As shown in FIG. 2, in the second embodiment, the
レギュレータ回路72は、p型MOSトランジスタ20およびオペアンプ19を含む。p型MOSトランジスタ20は、電池73からの電源電流をソース端子に入力し、ドレイン端子から電源電圧Vcc1を供給する。オペアンプ19は、反転入力端子に入力されるドレイン端子の電圧と、非反転入力端子に入力される所定の制御電圧Vctlの差電圧を増幅し、トランジスタ20のゲート端子に出力する。電源電圧Vcc1が大きくなろうとすると、オペアンプ19に入力される差電圧は小さくなるから、p型MOSトランジスタ20に流れる電流を少なくしようとし、電源電圧Vcc1の大きさを押さえる。すなわち、レギュレータ回路72は、制御電圧Vctlに基づいて、電源電圧Vcc1を所定値に調整する。電源電圧Vcc1の大きさは、大略、電源電圧Vccの大きさに等しい。
The
比較出力電圧S6Aは、トランジスタ18のベース端子に入力される。トランジスタ18のエミッタ端子は、抵抗を介して接地され、コレクタ端子とオペアンプ19の電源端子は、互いに接続されるとともに、抵抗を介してVcc電源から電源電圧Vccが供給される。比較出力電圧S6Aがロー状態の場合、トランジスタ18はオフされ、レギュレータ回路72は電源電圧Vcc1を所定値に調整する。比較出力電圧S6Aがハイ状態になると、トランジスタ18はオンされるため、オペアンプ19の電源電圧は大略接地電圧となり、p型MOSトランジスタ20はオフされる。すなわち、電源電圧Vcc1は、大略接地電圧に等しくなる。
The comparison output voltage S6A is input to the base terminal of the
トランジスタ20を流れる電流は、最大で2A程度までおよぶ機器もある。たとえば、アンテナが折れるなどの、通常の想定範囲を超えた負荷インピーダンス変動が起きる場合がある。この場合、増幅用トランジスタ1が異常発振し、異常なコレクタ電流が流れるとともに、電池内部には過電流が流れ、配線が焼損することになる。このように、ベースバイアス回路70Aでは、増幅用トランジスタ1の動作を完全に停止できない場合でも、比較出力電圧S6Aにより、レギュレータ回路72の動作を停止することで、電池73からp型MOSトランジスタ20を通って流れ込む電流を、完全に遮断できる。
In some devices, the current flowing through the
したがって、利得変化検出信号S5が所定値よりも大きくなると、レギュレータ回路72を用いて駆動段2および増幅用トランジスタ1の増幅動作を停止する。すなわち、駆動段2および増幅用トランジスタ1の利得は、大略ゼロとなる。これにより、増幅用トランジスタ入力信号S1Aおよび増幅用トランジスタ出力信号S1Bを制御し、増幅用トランジスタ1のコレクタ端子1Bにおける過電流および過電圧を回避することが可能となる。それゆえ、増幅用トランジスタ1、高周波電力増幅器、および高周波電力増幅器を搭載する移動機の動作は、安定化される。この遮断する機能は、実施の形態1において各ベースバイアス電流S8、S9を遮断する機能をさらに確実に実行するものであり、したがって実施の形態1と同様な効果が確実に得られる。
Therefore, when the gain change detection signal S5 becomes larger than a predetermined value, the amplifying operation of the driving
比較器6A、トランジスタ18、およびレギュレータ回路72は、制御部を構成する。
The
(実施の形態3)
実施の形態3の高周波電力増幅器を説明する。実施の形態3では、実施の形態1と異なる点を中心に説明する。その他の構成、動作、および効果は、実施の形態1と同等であるので、説明を省略する。
(Embodiment 3)
A high-frequency power amplifier according to the third embodiment will be described. In the third embodiment, a description will be given focusing on differences from the first embodiment. Since other configurations, operations, and effects are the same as those of the first embodiment, description thereof is omitted.
図3は実施の形態3の高周波電力増幅器の一構成例を示す等価回路図である。図3に示すように、実施の形態3では、ベースバイアス回路70Bは、比較出力電圧S6Aによる制御を受けずに、所定電圧Vbiasに基づいて所定のベースバイアス電流S8、S9を出力する。高周波電力増幅器は、さらに、増幅用トランジスタ1の入力端子1Aとエミッタ端子1C(接地端子)との間に挿入された安定化回路28を含む。安定化回路28および増幅用トランジスタ1を含む構成は、実施の形態3では最終段または増幅段とも呼ばれる。安定化回路28は、駆動段2の交流負荷の一部を形成し、増幅用トランジスタ1の入力インピーダンスの一部を形成する。
FIG. 3 is an equivalent circuit diagram showing a configuration example of the high-frequency power amplifier according to the third embodiment. As shown in FIG. 3, in the third embodiment, the
安定化回路28は、副安定化回路28Aおよび副安定化回路28Bを含み、互いに並列に接続される。副安定化回路28Aでは、抵抗32およびコンデンサ33が互いに直列に接続され、副安定化回路28Bでは、抵抗29、コンデンサ30、およびスイッチングトランジスタ31が互いに直列に接続される。副安定化回路28Aは、駆動段出力信号S2および増幅用トランジスタ入力信号S1Aの特に高周波成分を低減し、負荷変動が実質的に無視できる通常状態において、増幅用トランジスタ1の増幅動作を安定化する。
比較出力電圧S6Aは、スイッチングトランジスタ31のゲート端子に入力される。比較出力電圧S6Aがロー状態の場合、スイッチングトランジスタ31はオフされ、安定化回路28は副安定化回路28Aだけが動作する。比較出力電圧S6Aがハイ状態になると、スイッチングトランジスタ31はオンされるため、安定化回路28は副安定化回路28Aおよび副安定化回路28Bの両方とも動作する。安定化回路28を2つの各副安定化回路28A、28Bの構成にすることにより、安定化回路切り替え時の急激な電力利得の変化やノイズの発生を緩和することができる。
The comparison output voltage S6A is input to the gate terminal of the switching
したがって、利得変化検出信号S5が所定値よりも大きくなると、副安定化回路28Bは、駆動段出力信号S2および増幅用トランジスタ入力信号S1Aの特に高周波成分をさらに低減する。その結果、副安定化回路28Bは、駆動段2の高周波成分の利得を低減する。また、アンテナのインピーダンスが変動すると、増幅用トランジスタ1の利得が大きくなって利得変化検出信号S5が所定値よりも大きくなり、副安定化回路28Bが動作する。したがって、副安定化回路28Bは、増幅用トランジスタ入力信号S1Aの振幅レベルを低下させることにより、アンテナのインピーダンス変動時に増大しようとしている増幅用トランジスタ1の電力利得を低減する。このように、副安定化回路28Bを用いて駆動段2および増幅用トランジスタ1の利得は低減され、増幅用トランジスタ1の増幅動作はさらに安定化される。これにより、駆動段出力信号S2および増幅用トランジスタ入力信号S1Aを制御し、増幅用トランジスタ1のコレクタ端子1Bにおける過電流および過電圧を回避することが可能となる。それゆえ、高周波電力増幅器および高周波電力増幅器を搭載する移動機の動作は、安定化される。この機能は、実施の形態1において各ベースバイアス電流S8、S9が減少する場合と同様であり、したがって実施の形態1と同様な効果が得られる。
Therefore, when the gain change detection signal S5 becomes larger than the predetermined value, the sub-stabilization circuit 28B further reduces particularly the high frequency component of the drive stage output signal S2 and the amplification transistor input signal S1A. As a result, the sub-stabilization circuit 28B reduces the gain of the high frequency component of the
比較器6Aは、制御部を構成する。なお、安定化回路28は、駆動段2と整合回路74との間に挿入されてもよい。この場合の動作および効果は、上述した実施の形態3と同様である。なお、安定化回路28が制御部に含まれ、最終段が安定化回路28を含まないとしてもよい。この場合も、実質的な動作および効果は上述した実施の形態3と同様である。
The
(実施の形態4)
実施の形態4の高周波電力増幅器を説明する。実施の形態4では、実施の形態1と異なる点を中心に説明する。その他の構成、動作、および効果は、実施の形態1と同等であるので、説明を省略する。
(Embodiment 4)
A high-frequency power amplifier according to the fourth embodiment will be described. The fourth embodiment will be described with a focus on differences from the first embodiment. Since other configurations, operations, and effects are the same as those of the first embodiment, description thereof is omitted.
図4は実施の形態4の高周波電力増幅器の一構成例を示す等価回路図である。図4に示すように、実施の形態4では、高周波電力増幅器は、さらに、駆動段2と整合回路74との間に、可変減衰器45を含む。駆動段2および可変減衰器45を含む構成は、実施の形態4では増幅段とも呼ばれる。可変減衰器45は、駆動段2の負荷の一部を形成する。
FIG. 4 is an equivalent circuit diagram showing a configuration example of the high-frequency power amplifier according to the fourth embodiment. As shown in FIG. 4, in the fourth embodiment, the high frequency power amplifier further includes a
利得変化検出信号S5は、比較器6Aに入力されるとともに、比較器6Bに入力され、所定の基準電圧VrefBと比較され、利得変化検出信号S5が基準電圧VrefBを超えると、比較出力電圧S6Bが出力される。すなわち、比較出力電圧S6Bは、ロー状態からハイ状態になる。比較出力電圧S6Bは、可変減衰器45に入力される。比較器6Bは、比較部とも呼ばれる。
The gain change detection signal S5 is input to the
可変減衰器45では、比較出力電圧S6Bは、トランジスタ41のベース端子と、ソース接地の各トランジスタ43、44のゲート端子に入力される。トランジスタ41は、エミッタ端子が抵抗41R2を介して接地され、コレクタ端子が、抵抗41R1を介してVcc電源に接続されるとともに、トランジスタ42のゲート端子に接続される。トランジスタ43のドレイン端子は、互いに直列接続されたコンデンサ43Cと抵抗43Rを介して、駆動段2の出力端子に接続され、トランジスタ44のドレイン端子は、互いに直列接続されたコンデンサ44Cと抵抗44Rを介して、整合回路74に接続される。トランジスタ42のソース端子は、抵抗42Rを介して駆動段2の出力端子に接続され、ドレイン端子は、整合回路74に接続される。
In the
比較出力電圧S6Bがロー状態の場合、各トランジスタ41、43、44はオフされ、トランジスタ42はオンされる。これにより、駆動段2と整合回路74との間は、導通状態となり、実施の形態1における動作と同等になる。一方、比較出力電圧S6Bがハイ状態になると、各トランジスタ41、43、44はオンされ、トランジスタ42はオフされる。
When the comparison output voltage S6B is in the low state, the
この場合、可変減衰器45はパイ字(ギリシア文字)型回路の構成になる。互いに直列接続された抵抗42Rと高いオフ抵抗を有するトランジスタ42との両端に、互いに直列接続されたコンデンサ43Cおよび抵抗43Rと、互いに直列接続されたコンデンサ44Cおよび抵抗44Rとが、互いに並列に接続される。このように可変減衰器45は、比較出力電圧S6Bがハイ状態の場合、駆動段出力信号S2を減衰させることができる。これにより、駆動段2および可変減衰器45を含む増幅段の利得は低減され、増幅用トランジスタ入力信号S1Aが小さくなり、増幅用トランジスタ出力信号S1Bの振幅も小さくなるので、増幅用トランジスタ1の増幅動作は安定化される。
In this case, the
定在波比(VSWR:Voltage Standing Wave Ratio)が3:1を超えない程度に負荷変動が比較的小さい場合、可変減衰器45は線形領域で動作するため、ベースバイアス回路70Aに比べて、増幅器出力信号Poutの歪み成分を小さくする利点がある。したがって、基準電圧VrefBを基準電圧VrefAよりも小さくし、負荷変動が小さい場合には、可変減衰器45を動作させ、負荷変動が大きくなると、可変減衰器45とともにベースバイアス回路70Aを動作させる。
When the load fluctuation is relatively small so that the standing wave ratio (VSWR: Voltage Standing Wave Ratio) does not exceed 3: 1, the
すなわち、利得変化検出信号S5が所定値VrefBよりも大きくなると、可変減衰器45を用いて駆動段2の利得を低下させる。これにより、駆動段出力信号S2および増幅用トランジスタ入力信号S1Aを制御し、増幅用トランジスタ入力信号S1Aが歪まないようにすることができる。このため、負荷インピーダンス変動に起因する変調精度の劣化、および信号波形の歪み成分の増加に伴う隣接チャンネルへの歪み成分の漏洩を、防止することが可能となる。さらに、利得変化検出信号S5が、所定値VrefAよりも大きくなると、ベースバイアス回路70Aを用いて各ベースバイアス電流S8、S9の大きさを所定量以下に減少させる。これにより、駆動段出力信号S2および増幅用トランジスタ入力信号S1Aを制御し、増幅用トランジスタ1のコレクタ端子1Bにおける過電流および過電圧を回避することが可能となる。それゆえ、高周波電力増幅器および高周波電力増幅器を搭載する移動機の動作は、安定化される。この機能は、実施の形態1において各ベースバイアス電流S8、S9が減少する場合と同様であり、したがって実施の形態1と同様な効果が得られる。
That is, when the gain change detection signal S5 becomes larger than the predetermined value VrefB, the gain of the driving
比較器6A、ベースバイアス回路70A、および比較器6Bは、制御部を構成する。
The
(実施の形態5)
実施の形態5の高周波電力増幅器を説明する。実施の形態5では、実施の形態1と異なる点を中心に説明する。その他の構成、動作、および効果は、実施の形態1と同等であるので、説明を省略する。
(Embodiment 5)
A high-frequency power amplifier according to the fifth embodiment will be described. In the fifth embodiment, a description will be given focusing on differences from the first embodiment. Since other configurations, operations, and effects are the same as those of the first embodiment, description thereof is omitted.
図5は実施の形態5の高周波電力増幅器の一構成例を示す等価回路図である。図5に示すように、実施の形態5では、ベースバイアス回路70Bは、比較出力電圧S6Aによる制御を受けずに、所定電圧Vbiasに基づいて所定のベースバイアス電流S8、S9を出力する。高周波電力増幅器は、さらに、整合回路7と増幅器出力端子P2との間に、インピーダンス変換回路53を含む。インピーダンス変換回路53は、インピーダンス設定部とも呼ばれる。整合回路7およびインピーダンス変換回路53を含む構成は、整合部とも呼ばれる。
FIG. 5 is an equivalent circuit diagram showing a configuration example of the high-frequency power amplifier according to the fifth embodiment. As shown in FIG. 5, in the fifth embodiment, the
インピーダンス変換回路53は、伝送線路54、コンデンサ55、およびスイッチングトランジスタ56を含む。スイッチングトランジスタ56は、トランジスタ以外のスイッチングする構成も含めて、スイッチング素子とも呼ばれる。伝送線路54は、大略50オームの特性インピーダンスを有し、整合回路7と増幅器出力端子P2との間に直列に挿入される。コンデンサ55およびスイッチングトランジスタ56は、互いに直列に接続され、増幅器出力端子P2と接地端子との間に接続される。
The
比較出力電圧S6Aは、スイッチングトランジスタ56のゲート端子に入力される。比較出力電圧S6Aがロー状態の場合、スイッチングトランジスタ56はオフされ、実施の形態1において比較出力電圧S6Aがロー状態の場合の動作と同等になる。一方、比較出力電圧S6Bがハイ状態になると、スイッチングトランジスタ56はオンされ、インピーダンス変換回路53は有効になる。この場合、整合回路7およびインピーダンス変換回路53を含む整合部の伝達特性が変化する。すなわち、インピーダンス変換回路53は、増幅器出力信号Poutの高周波成分を減衰させ、負荷インピーダンス変動を効果的に補正することができる。整合部の伝達特性が変化することを、整合部の利得が変化するとも言う。
The comparison output voltage S6A is input to the gate terminal of the switching
増幅器出力端子P2に接続されるアンテナと整合部とは、増幅用トランジスタ1の負荷の一部を形成しているため、アンテナのインピーダンスが変動すると、増幅用トランジスタ1の利得が大きくなる場合がある。その結果、利得変化検出信号S5が所定値よりも大きくなり、スイッチングトランジスタ56がオンされ、インピーダンス変換回路53はアンテナのインピーダンス変動の影響を、アンテナに並列に接続されるコンデンサ55により吸収し除去する。したがって、インピーダンス変換回路53は、アンテナのインピーダンス変動を吸収し除去することにより、アンテナのインピーダンス変動時に増大しようとしている増幅用トランジスタ1の電力利得を低減する。
Since the antenna connected to the amplifier output terminal P2 and the matching part form a part of the load of the
このように、利得変化検出信号S5が所定値よりも大きくなると、インピーダンス変換回路53を用いて増幅用トランジスタ1は安定化される。これにより、増幅用トランジスタ出力信号S1Bおよび増幅器出力信号Poutを制御し、増幅用トランジスタ1のコレクタ端子1Bにおける過電流および過電圧を回避することが可能となる。この機能は、実施の形態1において各ベースバイアス電流S8、S9が減少する場合と同様であり、したがって実施の形態1と同様な効果が得られる。加えて、インピーダンス変換回路53は線形領域で動作するため、増幅器出力信号Poutが歪まないようにすることができる。これにより、負荷インピーダンス変動に起因する変調精度の劣化、および信号波形の歪み成分の増加に伴う隣接チャンネルへの歪み成分の漏洩を、防止することができる。以上のように、高周波電力増幅器および高周波電力増幅器を搭載する移動機の動作を安定化することが可能となる。
Thus, when the gain change detection signal S5 becomes larger than a predetermined value, the
比較器6Aは、制御部を構成する。なお、インピーダンス変換回路53が制御部に含まれるとしてもよい。この場合も、実質的な動作および効果は上述した実施の形態5と同様である。
The
(実施の形態6)
実施の形態6の高周波電力増幅器を説明する。実施の形態6では、実施の形態1と異なる点を中心に説明する。その他の構成、動作、および効果は、実施の形態1と同等であるので、説明を省略する。
(Embodiment 6)
A high-frequency power amplifier according to the sixth embodiment will be described. In the sixth embodiment, a description will be given focusing on differences from the first embodiment. Since other configurations, operations, and effects are the same as those of the first embodiment, description thereof is omitted.
図6は実施の形態6の高周波電力増幅器の一構成例を示す等価回路図である。図6に示すように、実施の形態6では、ベースバイアス回路70Bは、比較出力電圧S6Aによる制御を受けずに、所定電圧Vbiasに基づいて所定のベースバイアス電流S8、S9を出力する。高周波電力増幅器は、さらに、整合回路7の出力端子P2Cと、増幅器出力端子P2Aと、増幅器出力端子P2Bとを含む。増幅器出力端子P2Aはアンテナ65に接続され、増幅器出力端子P2Bはアンテナ66に接続される。高周波電力増幅器は、さらに、出力端子P2Aと出力端子P2Bと出力端子P2Cとの間に、高周波スイッチ64を含む。高周波スイッチ64は、スイッチ部とも呼ばれる。整合回路7および高周波スイッチ64を含む構成は、整合部とも呼ばれる。
FIG. 6 is an equivalent circuit diagram showing a configuration example of the high-frequency power amplifier according to the sixth embodiment. As shown in FIG. 6, in the sixth embodiment, the
高周波スイッチ64は、スイッチ62および切り替え制御回路63を含む。切り替え制御回路63は、比較出力電圧S6Aに基づいて、増幅器出力信号Poutがアンテナ65に出力されるか、またはアンテナ66に出力されるかを切り替える。切り替え制御回路63は、比較出力電圧S6Aがロー状態の場合、現在の接続状態を維持し、比較出力電圧S6Aがハイ状態の場合、現在の接続状態とは異なる接続状態に切り替える。すなわち、高周波スイッチ64は、比較出力電圧S6Aに基づいて増幅器出力信号Poutを制御し、増幅器出力信号Poutが各アンテナ65、66に出力する経路を選択する。出力端子P2Cと出力端子P2Aが接続状態にある場合、増幅器出力信号Poutは出力端子P2Aに出力され、逆に、出力端子P2Cと出力端子P2Bが接続状態にある場合、増幅器出力信号Poutは出力端子P2Bに出力される。
The
比較出力電圧S6Aがハイ状態になるのは、アンテナに遮蔽物が接近し、負荷インピーダンスが変動するためである。この場合、終端状況が良好な別のアンテナに切り替えることにより、増幅器出力信号Poutを送信することができるので、送信品質の高い移動機を提供することができる。また、万一、アンテナが破損した場合でも負荷インピーダンス変動となるので、自動的に正常なアンテナを選び出し、増幅器出力信号Poutを送信することができる。それゆえ、信頼性の高い移動機を提供することができる。 The reason why the comparison output voltage S6A is in the high state is that the shielding object approaches the antenna and the load impedance fluctuates. In this case, since the amplifier output signal Pout can be transmitted by switching to another antenna with a good termination status, a mobile device with high transmission quality can be provided. Also, even if the antenna is damaged, the load impedance fluctuates, so that a normal antenna can be automatically selected and the amplifier output signal Pout can be transmitted. Therefore, a highly reliable mobile device can be provided.
このように、増幅器出力端子P2Aおよび増幅器出力端子P2Bのいずれか一方にとっては、整合回路7および高周波スイッチ64を含む整合部の伝達特性は、高周波スイッチ64を切り替えることにより、通常の伝達特性と遮断特性との間で変化する。整合部の伝達特性が変化することを、整合部の利得が変化するとも言う。
As described above, for any one of the amplifier output terminal P2A and the amplifier output terminal P2B, the transfer characteristic of the matching unit including the
各アンテナ65、66および整合部は、増幅用トランジスタ1の負荷の一部を形成しているため、アンテナのインピーダンスが変動すると、増幅用トランジスタ1の利得が大きくなる場合がある。その結果、利得変化検出信号S5が所定値よりも大きくなり、高周波スイッチ64が切り替えられ、高周波スイッチ64は、各アンテナ65、66のインピーダンス変動の影響を、スイッチの切り替えによって切り離す。したがって、高周波スイッチ64は、アンテナのインピーダンス変動を切り離すことにより、アンテナのインピーダンス変動時に増大しようとしている増幅用トランジスタ1の電力利得を低減する。
Since each of the
したがって、利得変化検出信号S5が所定値よりも大きくなると、高周波スイッチ64を用いて増幅用トランジスタ1は安定化される。これにより、増幅器出力信号Poutを制御し、増幅用トランジスタ1のコレクタ端子1Bにおける過電流および過電圧を回避することが可能となる。それゆえ、高周波電力増幅器および高周波電力増幅器を搭載する移動機の動作は、安定化される。
Therefore, when the gain change detection signal S5 becomes larger than a predetermined value, the amplifying
比較器6Aは、制御部を構成する。なお、高周波スイッチ64が制御部に含まれるとしてもよい。この場合も、実質的な動作および効果は上述した実施の形態6と同様である。
The
(実施の形態の特性図および波形図)
図7は、実施の形態1ないし6において、等価回路に基づいてシミュレーションした結果であり、高周波電力増幅器の入出力特性を示している。図7において、増幅器入力信号Pinの増加に比例して、増幅器出力信号Poutは増加し、各検出電力S3P、S4Pも増加する。かつ、検出電力S3Pおよび検出電力S4Pは、同一の増幅器入力信号Pinに対して、大略互いに等しい。このように増幅器入力信号Pinが変化する変調信号に対して、検出電力S3Pと検出電力S4Pの差は、大略ゼロに等しい。
(Characteristic diagram and waveform diagram of the embodiment)
FIG. 7 shows the result of simulation based on the equivalent circuit in the first to sixth embodiments, and shows the input / output characteristics of the high-frequency power amplifier. In FIG. 7, the amplifier output signal Pout increases in proportion to the increase in the amplifier input signal Pin, and the detected powers S3P and S4P also increase. The detected power S3P and the detected power S4P are substantially equal to each other with respect to the same amplifier input signal Pin. As described above, the difference between the detected power S3P and the detected power S4P is substantially equal to zero with respect to the modulation signal in which the amplifier input signal Pin changes.
図8A、図8B、図8C、図8D、図8E、および図8Fは、実施の形態1ないし6における各部の動作を示す波形図である。横軸は時間tを表す。縦軸は、図8Aから図8Dの場合、電力をデシベルで表し、図8Eおよび図8Fの場合、電圧を線形目盛りで表す。図8A、図8C、および図8Eは、増幅器入力信号Pinとして、GSM(Global System for Mobile Communications)信号を用いた場合の波形を示し、図8B、図8D、および図8Fは、CDMA信号を用いた場合の波形を示す。GSM信号は、振幅が変動しない変調信号の代表例であり、CDMA信号は、振幅が変動する変調信号の代表例である。 8A, FIG. 8B, FIG. 8C, FIG. 8D, FIG. 8E, and FIG. 8F are waveform diagrams showing the operation of each part in the first to sixth embodiments. The horizontal axis represents time t. The vertical axis represents power in decibels in FIGS. 8A to 8D, and represents voltage in a linear scale in FIGS. 8E and 8F. 8A, 8C, and 8E show waveforms when a GSM (Global System for Mobile Communications) signal is used as the amplifier input signal Pin, and FIGS. 8B, 8D, and 8F use a CDMA signal. The waveform when there is. The GSM signal is a typical example of a modulated signal whose amplitude does not vary, and the CDMA signal is a typical example of a modulated signal whose amplitude varies.
図8Aおよび図8Bでは、増幅器出力端子P2は50オームで終端され、負荷インピーダンス変動が生じない。このため、図8Aおよび図8Bの両方とも、増幅用トランジスタ出力信号S1Bは、増幅用トランジスタ入力信号S1Aに対して、増幅用トランジスタ1の電力利得Ap分だけ上方に移動した波形になる。
In FIGS. 8A and 8B, the amplifier output terminal P2 is terminated at 50 ohms and no load impedance variation occurs. For this reason, in both FIG. 8A and FIG. 8B, the amplification transistor output signal S1B has a waveform that is shifted upward by the power gain Ap of the
図8Cおよび図8Dでは、増幅器出力端子P2はアンテナに接続され、しかもアンテナは、時点t1から時点t2まで、例えば金属遮蔽板に接近するため、負荷インピーダンス変動が生じる。このため、時点t1から時点t2まで、増幅用トランジスタ出力信号S1Bにだけ各負荷変動S1BC、S1BDが現れ、増幅用トランジスタ入力信号S1Aには現れない。また、GSM信号(図8C)の場合、増幅用トランジスタ出力信号S1Bにより負荷変動S1BCを検出できるが、CDMA信号(図8D)の場合、増幅用トランジスタ出力信号S1Bには変調信号の振幅変動と負荷変動S1BDが含まれ、負荷変動S1BDだけを区別することができない。 In FIG. 8C and FIG. 8D, the amplifier output terminal P2 is connected to the antenna, and the antenna approaches the metal shielding plate, for example, from the time point t1 to the time point t2, so that the load impedance fluctuation occurs. Therefore, from time t1 to time t2, the load fluctuations S1BC and S1BD appear only in the amplification transistor output signal S1B and do not appear in the amplification transistor input signal S1A. In the case of the GSM signal (FIG. 8C), the load fluctuation S1BC can be detected by the amplification transistor output signal S1B. However, in the case of the CDMA signal (FIG. 8D), the amplitude fluctuation and load of the modulation signal are included in the amplification transistor output signal S1B. The variation S1BD is included, and only the load variation S1BD cannot be distinguished.
図8Eおよび図8Fは、それぞれGSM信号およびCDMA信号に対する利得変化検出信号S5の波形である。図8Cおよび図8Dにおいて、増幅用トランジスタ出力信号S1Bは、増幅用トランジスタ入力信号S1Aに比べて、各検出回路3、4により増幅用トランジスタ1の電力利得Ap分だけ大きく低下するため、時点t1から時点t2までの期間以外、大略等しくなる。したがって、利得変化検出信号S5は、図8Eおよび図8Fのように、時点t1から時点t2までの期間以外、大略ゼロとなり、時点t1から時点t2までの期間では、各負荷変動S1BC、S1BDが現れる。このように、互いに電力利得Ap分だけ利得差を有する各検出回路3、4と差動増幅回路5とにより、GSM信号およびCDMA信号の両方とも、各負荷変動S1BC、S1BDを正確に検出することが可能となる。
8E and 8F are waveforms of the gain change detection signal S5 for the GSM signal and the CDMA signal, respectively. In FIG. 8C and FIG. 8D, the amplification transistor output signal S1B is greatly lowered by the power gain Ap of the
(実施の形態7)
実施の形態7の高周波電力増幅器を説明する。実施の形態7では、実施の形態1と異なる点を中心に説明する。その他の構成、動作、および効果は、実施の形態1と同等であるので、説明を省略する。ここで、検出回路3、検出回路4、および差動増幅回路5を含む構成を、利得変化検出部80と呼ぶ。実施の形態7の高周波電力増幅器は、実施の形態1と同様に、利得変化検出部80を含む。
(Embodiment 7)
A high-frequency power amplifier according to the seventh embodiment will be described. The seventh embodiment will be described with a focus on differences from the first embodiment. Since other configurations, operations, and effects are the same as those of the first embodiment, description thereof is omitted. Here, a configuration including the
図9は、実施の形態7における高周波電力増幅器の構成を示す等価回路図である。図9に示すように、実施の形態7の高周波電力増幅器が実施の形態1に比べて異なる点は、大きく分けて3点ある。1点目は、増幅器入力端子P1と駆動段2との間に、調整段90および整合回路74Aが挿入されることである。2点目は、ベースバイアス回路70Aが、ベースバイアス回路70Cに変更されていることである。3点目は、利得変化検出部80と同様な構成の利得変化検出部80Aが、設けられていることである。
FIG. 9 is an equivalent circuit diagram showing a configuration of the high-frequency power amplifier according to the seventh embodiment. As shown in FIG. 9, the high-frequency power amplifier according to the seventh embodiment is largely different from the first embodiment in three points. The first point is that the
まず、調整段90は、各トランジスタ91、92、93、および抵抗90R1、90R2、90R3、90R4を含む。増幅器入力信号Pinは、インダクタンスおよびコンデンサで構成される整合回路を介して調整段入力信号S90Aとなり、トランジスタ91のベース端子90Aに入力される。トランジスタ91のエミッタ端子90Cは接地され、トランジスタ91のコレクタ端子はトランジスタ92のエミッタ端子に接続される。トランジスタ91はエミッタ接地され、トランジスタ92はベース接地されており、したがってトランジスタ91および92を含む回路は、カスコード回路の構成になっている。調整段入力信号S90Aは、このカスコード回路により調整段出力信号S90Bに増幅され、トランジスタ92のコレクタ端子90Bから出力される。調整段90は増幅段90とも呼ばれ、調整段入力信号S90Aおよび調整段出力信号S90Bは、それぞれ変調信号とも呼ばれる。ベース端子90Aは入力端子とも呼ばれ、コレクタ端子90Bは出力端子も呼ばれ、エミッタ端子90Cは共通端子とも呼ばれる。
First, the
調整段出力信号S90Bは、整合回路74Aを介して駆動段入力信号S2Aとなり、駆動段2に含まれるトランジスタのベース端子2Aに入力される。整合回路74Aは、整合回路74と同様に、例えば1個のコンデンサで構成され、入出力のインピーダンスを整合し、調整段出力信号S90Bを駆動段入力信号S2Aに変換する。整合回路74Aは、結合コンデンサの機能を兼ねる。駆動段入力信号S2Aは、エミッタ端子2Cが接地された駆動段2のトランジスタにより駆動段出力信号S2Bに増幅され、コレクタ端子2Bから出力される。駆動段出力信号S2Bは、実施の形態1における駆動段出力信号S2と同様な信号である。駆動段入力信号S2Aおよび駆動段出力信号S2Bは、それぞれ変調信号とも呼ばれる。ベース端子2Aは入力端子とも呼ばれ、コレクタ端子2Bは出力端子も呼ばれ、エミッタ端子2Cは共通端子とも呼ばれる。
The adjustment stage output signal S90B becomes the drive stage input signal S2A via the
次に、ベースバイアス回路70Cは、実施の形態1のベースバイアス回路70Aに対して、各トランジスタ8、9と並列に、トランジスタ8Aを追加した構成になっている。
Next, the
比較出力電圧S6Aは、ベースバイアス回路70Cに入力される。ベースバイアス回路70Cでは、比較出力電圧S6Aはトランジスタ10のベース端子に入力され、トランジスタ10のコレクタ出力は、各トランジスタ8A、8、9のベース端子に入力される。同時に、各トランジスタ8A、8、9のベース端子には、Vbias電源から、電源電圧Vccよりも低い所定電圧Vbiasが供給される。トランジスタ8A、8、9のコレクタ端子にはVcc電源から電源電圧Vccが供給され、トランジスタ8A、8、9のエミッタ端子からは、ベースバイアス電流S8A、S8、S9がそれぞれ出力される。ベースバイアス電流S8A、S8、S9は、それぞれ調整段90の入力端子90A、駆動段2の入力端子2A、および最終段1の入力端子1Aに入力され、それぞれを動作させるのに必要な直流電流が供給される。各ベースバイアス電流S8A、S8、S9は、バイアス信号とも呼ばれる。
The comparison output voltage S6A is input to the
ベースバイアス回路70Cでは、比較出力電圧S6Aがロー状態の場合、各トランジスタ8A、8、9はベース電圧が所定電圧Vbiasに設定されて能動状態となり、ベースバイアス電流S8A、S8、S9は、それぞれ調整段90、駆動段2、および最終段1へ十分に供給される。一方、比較出力電圧S6Aがハイ状態になると、トランジスタ10はオンされ、したがって各トランジスタ8A、8、9のベース電圧はロー状態となるため、ベースバイアス電流S8A、S8、S9はディジタル的に遮断される。
In the
実施の形態1と同様な動作により、利得変化検出部80は、最終段入力信号S1Aおよび最終段出力信号S1Bに基づいて、最終段1における電力利得の変化を検出し、利得変化検出信号S5を生成する。したがって、利得変化検出信号S5には、変調信号の振幅変動の影響は現れず、負荷変動の影響のみ現れる。負荷変動が大きくなれば、各ベースバイアス電流S8A、S8、S9は遮断されるかまたは減少する。ベースバイアス電流S8Aが遮断されるかまたは減少すると、調整段出力信号S1Bの信号振幅は減少し、駆動段入力信号S2Aの信号振幅は減少する。ベースバイアス電流S8が遮断されるかまたは減少すると、駆動段入力信号S2Aの直流成分は減少する。このように、各ベースバイアス電流S8A、S8が遮断されるかまたは減少すると、駆動段入力信号S2Aの信号振幅および直流成分は減少し、その結果、駆動段出力信号S2Bの信号振幅は減少し、最終段入力信号S1Aの信号振幅は減少する。さらに、ベースバイアス電流S9が遮断されるかまたは減少すると、最終段入力信号S1Aの直流成分は減少する。このように、各ベースバイアス電流S8A、S8、S9が遮断されるかまたは減少する(すなわち、所定量以下に減少する)と、最終段入力信号S1Aの信号振幅および直流成分は減少し、その結果、最終段出力信号S1Bの信号振幅は減少する。すなわち、調整段90、駆動段2、および最終段1の利得は減少し、最終段1の増幅動作は安定化される。
By the same operation as in the first embodiment, the gain
以上のように、高周波電力増幅器が、CDMAのような振幅変動を含む変調信号を増幅する場合、アンテナに遮蔽物が接近して負荷インピーダンス変動を受けると、最終段1の出力端子1Bには、振幅変動と負荷変動の両方が現れる。この場合、利得変化検出部80により生成される利得変化検出信号S5には、負荷変動だけが検出される。
As described above, when the high-frequency power amplifier amplifies the modulation signal including amplitude variation such as CDMA, when the shield approaches the antenna and receives load impedance variation, the
したがって、利得変化検出信号S5が所定値よりも大きくなると、ベースバイアス回路70Cを用いて各ベースバイアス電流S8A、S8、S9の大きさを所定量以下に減少させる。これにより、最終段入力信号S1Aを制御し、最終段1の出力端子1Bにおける過電流および過電圧を回避することが可能となる。
Therefore, when the gain change detection signal S5 becomes larger than a predetermined value, the
このように、高周波電力増幅器は負荷変動による破壊から保護され、信頼性が増大する。また、このような高周波電力増幅器を搭載する移動機は、負荷変動による焼損を未然に防ぐことが可能になる。それゆえ、高周波電力増幅器および高周波電力増幅器を搭載する移動機の動作は、安定化される。さらに、アイソレータを使用する必要がないので、移動機の小型軽量化が達成される。また、アイソレータの挿入損失も無いので、高周波電力増幅器の消費電力を低減し、携帯電話機の使用時間を長時間化することが可能となる。 In this way, the high frequency power amplifier is protected from destruction due to load fluctuations, and reliability is increased. In addition, a mobile device equipped with such a high-frequency power amplifier can prevent burning due to load fluctuations. Therefore, the operation of the high frequency power amplifier and the mobile device equipped with the high frequency power amplifier is stabilized. Furthermore, since it is not necessary to use an isolator, the mobile device can be reduced in size and weight. In addition, since there is no insertion loss of the isolator, it is possible to reduce the power consumption of the high-frequency power amplifier and extend the usage time of the mobile phone.
実施の形態1〜6では、図7および図8A〜図8Fを用いて動作および効果を具体的に説明したが、実施の形態7においても同様であるので、説明を省略する。
In
次に、利得変化検出部80Aおよび調整段90を含む構成について、説明する。利得変化検出部80Aは、検出回路3A、検出回路4A、および差動増幅回路5Aを含む。利得変化検出部80Aは、利得変化検出部80と同様な構成になっているので、詳細な説明を省略する。ただし、利得変化検出部80Aの接続される場所は、利得変化検出部80とは異なるため、利得変化を検出する最適条件は異なる場合がある。したがって利得変化検出部80Aに含まれる各素子の値は、利得変化検出部80に含まれる各素子の値と異なってもよい。
Next, a configuration including the gain
駆動段入力信号S2Aおよび駆動段出力信号S2Bが、それぞれ駆動段2の入力端子2Aおよび出力端子2Bから利得変化検出部80Aへ入力され、利得変化検出部80Aの出力端子から利得変化検出信号S5Aが出力される。差動増幅回路5Aは差分部とも呼ばれる。なお、利得変化検出部80Aは、駆動段出力信号S2Bの代わりに、増幅用トランジスタ入力信号S1Aに基づいて利得変化検出信号を生成してもよい。なお、利得変化検出部は、駆動段入力信号S2Aの代わりに、調整段出力信号S90Bに基づいて利得変化検出信号を生成してもよい。
Drive stage input signal S2A and drive stage output signal S2B are input to gain
利得変化検出部80Aの出力端子は、調整段90の制御端子90Dに接続され、制御端子90Dは抵抗90R4を介してトランジスタ93のベース端子に接続される。トランジスタ93のエミッタ端子は抵抗90R3を介して接地され、トランジスタ93のコレクタ端子は抵抗90R2を介してVcc電源に接続される。トランジスタ93のコレクタ端子と抵抗90R2との接続点は、抵抗90R1を介してトランジスタ92のベース端子に接続される。
The output terminal of the gain
利得変化検出部80Aは、駆動段入力信号S2Aおよび駆動段出力信号S2Bに基づいて、駆動段2の電力利得の変化を検出し、利得変化検出信号S5Aを生成する。駆動段2の電力利得が増大する場合、利得変化検出信号S5Aの電圧が上昇し、トランジスタ93のコレクタ電流が増大するため、トランジスタ93のコレクタ端子と抵抗90R2との接続点の電圧は下降する。したがって、トランジスタ92のコレクタ電流は減少し、調整段出力信号S90Bの大きさは小さくなる。すなわち、調整段90の電力利得は減少する。他方、駆動段2の電力利得が減少する場合、利得変化検出信号S5Aの電圧が下降し、トランジスタ93のコレクタ電流が減少するため、トランジスタ93のコレクタ端子と抵抗90R2との接続点の電圧は上昇する。したがって、トランジスタ92のコレクタ電流は増大し、調整段出力信号S90Bの大きさは大きくなる。すなわち、調整段90の電力利得は増大する。このように、調整段90の電力利得は、利得変化検出部80Aを用いることにより、利得変化検出信号S5Aが大きくなるにつれて単調減少的に変化し、駆動段2の電力利得の変化を相殺する。
The
駆動段2のトランジスタは、例えばB級で動作する。A級動作の場合、トランジスタの動作電流は、図11Bの曲線CAに示すように、入力信号の大きさにかかわらず大略一定である。他方、B級動作の場合、トランジスタの動作電流は、図11Bの曲線CBに示すように、入力信号が小さい範囲では、A級動作の場合よりも十分に少なくし、消費電流を低減する。しかし、入力信号が大きくなるにつれて、動作電流は急激に増大する。その結果、A級動作の場合、トランジスタの電力利得は、図11Aの曲線PGAに示すように、入力信号の大きさにかかわらず大略一定となる。他方、B級動作の場合、トランジスタの電力利得は、図11Aの曲線PGBに示すように、入力信号が大きくなるにつれて徐々に増大する。このように、B級動作する駆動段2の電力利得は、入力信号に応じて変化する。
The transistor in the driving
駆動段2が、図11Cの曲線PG2に示すような電力利得特性を示す場合、利得変化検出部80Aを用いることにより、調整段90の電力利得は曲線PG1のように、点線で示す水平線に対して対称な曲線にすることができる。結果的に、調整段90および駆動段2を含む増幅回路の電力利得は、曲線PG3のように、入力信号の大きさにかかわらず大略一定となる。利得変化検出部80Aは、駆動段2の入力端子2Aおよび出力端子2Bにおける2つの信号電力の差に基づいて行うため、実施の形態1で上述したように変調信号の振幅変動に影響されずに、駆動段2における電力利得の変化だけを検出することができる。
When the driving
利得変化検出部80、比較器6A、およびベースバイアス回路70Cを用いてベースバイアス電流S8A、S8、S9を制御する場合、比較器6Aの動作によりベースバイアス電流S8A、S8、S9はディジタル的に急激に変化する。他方、利得変化検出部80Aを用いて調整段90の電力利得を制御する場合、制御系に比較器を含まないため、駆動段2の電力利得の変化を相殺するようにアナログ的に変化する。
When the base bias currents S8A, S8, and S9 are controlled using the
なお、調整段90は、トランジスタ91および92によるカスコード回路で構成されたが、図10Aに示すように、調整段90の入力端子90Aと出力端子90Bとの間に可変抵抗VR1を接続し、利得変化検出信号S5Aに基づいて可変抵抗VR1の抵抗値を変化するように構成してもよい。この場合、利得変化検出信号S5Aの大きさが大きくなると、可変抵抗VR1の抵抗値は大きくなり、調整段90の電力利得の減衰量が増大する。他方、利得変化検出信号S5Aの大きさが小さくなると、可変抵抗VR1の抵抗値は小さくなり、調整段90の電力利得の減衰量が減少する。さらに、図10Bに示すように、入力端子90Aにエミッタ接地のトランジスタ91のベース端子を接続し、コレクタ端子と出力端子90Bとの間に可変抵抗VR2を接続し、利得変化検出信号S5Aに基づいて可変抵抗VR2の抵抗値を変化するように構成してもよい。この場合、利得変化検出信号S5Aの大きさが大きくなると、可変抵抗VR2の抵抗値は小さくなり、調整段90の電力利得は減少する。他方、利得変化検出信号S5Aの大きさが小さくなると、可変抵抗VR2の抵抗値は大きくなり、調整段90の電力利得は増大する。
Although the
以上のように、実施の形態7の高周波電力増幅器では、利得変化検出部80を用いることにより、最終段1における電力利得の変化を検出し、さらにベースバイアス回路70Cを用いることにより、電力利得の変化に基づいて、調整段90、駆動段2、および最終段1へそれぞれ入力されるベースバイアス電流S8A、S8、S9の大きさを急激に制限する。最終段1における電力利得の変化には、変調信号の振幅変動の影響は現れず、最終段1出力の負荷変動の影響のみ現れる。これにより、最終段1出力に急激な負荷変動が生じても、最終段1の過電流および過電圧を回避し、高周波電力増幅器の焼損または破壊を防止することが可能となる。
As described above, in the high frequency power amplifier according to the seventh embodiment, the change in power gain in the
また、実施の形態7の高周波電力増幅器では、利得変化検出部80Aを用いることにより、駆動段2における電力利得の変化を検出し、さらに調整段90を用いることにより、電力利得の変化に基づいて、駆動段2の電力利得の変化を相殺するように調整段90の電力利得を調整することができる。これにより、調整段90と駆動段2とを合わせた増幅回路の電力利得の変化を、入力信号の大きさにかかわらず大略一定にすることができる。したがって、駆動段2をB級で動作させても、入力信号に対する電力利得の線形性を確保することができ、B級動作による低消費電力と、A級動作並の高い線形性の両立が可能となる。利得変化検出部80Aにより駆動段2における電力利得の変化を検出し、調整段90の電力利得を調整する構成は、負帰還回路になっており、負帰還回路内の各部品における製造のばらつきおよび温度特性のばらつきによる変動を低減して、電力利得の補償を安定的に達成することができる。
In the high frequency power amplifier according to the seventh embodiment, the gain
このように、実施の形態7の高周波電力増幅器では、最終段1出力の負荷変動に起因する最終段1の線形性の劣化、および駆動段2のB級動作に起因する駆動段2の線形性の劣化を防止することができるので、CDMAのような振幅変動を含む変調信号の変調精度を高くするとともに、隣接チャネルへの高調波歪み成分の漏洩を低減することが可能となり、送信品質の高い高周波電力増幅器を提供できる。
As described above, in the high frequency power amplifier according to the seventh embodiment, the degradation of the linearity of the
比較器6Aおよびベースバイアス回路70Cは、制御部を構成する。実施の形態7では、調整段90、駆動段2、最終段1、利得変化検出部80、利得変化検出部80A、および制御部を、1個以上の半導体チップで構成する。
The
(実施の形態のまとめ)
上述したように、ある実施の形態の高周波電力増幅器では、最終段1の入力端子1Aと出力端子1Bのそれぞれに、検出回路3および検出回路4が接続されている。検出回路3、4でそれぞれ検出された検出出力信号S3、S4は、差動増幅回路5に入力され、各検出出力信号S3、S4の差を表す利得変化検出信号S5が生成される。高周波電力増幅器が50Ωで終端されているとき、増幅器入力信号Pinが変化すると、各検出出力信号S3、S4の信号レベルはいずれも変化するが、最終段1の電力利得が一定である限りは、利得変化検出信号S5は大略ゼロである。
(Summary of embodiment)
As described above, in the high-frequency power amplifier according to an embodiment, the
一方、高周波電力増幅器の出力側に終端されている負荷(すなわち、アンテナのインピーダンス)が変動すると、最終段1の電力利得が変化する。さらに、負荷変動時に発生する反射波が出力端子1Bで観測される。ところが出力端子1Bにおけるこのような状態は、最終段1の入力端子1Aまでには影響しない。すなわち、入力信号の振幅変化に対しては、最終段1の入力端子1Aと出力端子1Bで検出される信号レベルに差が発生しないが、負荷変動に対しては差が発生するので、負荷変動だけを検出することができる。
On the other hand, when the load terminated on the output side of the high frequency power amplifier (that is, the impedance of the antenna) fluctuates, the power gain of the
別の実施の形態の高周波電力増幅器では、比較器6Aは、基準電圧VrefAとのレベル比較を行う。差動増幅回路5において、負荷の変動を観測し、利得変化検出信号S5が基準電圧VrefAを超えるかどうかを検出する。超えた場合、比較出力電圧S6Aを出力し、ベースバイアス回路70Aから、最終段1の入力端子1Aに供給している電流量S9を制限あるいは遮断することにより、最終段1の出力端子1Bにおける過電流および過電圧を回避している。
In the high-frequency power amplifier according to another embodiment, the
別の実施の形態の高周波電力増幅器では、電池73から最終段1に、レギュレータ回路72を介して電流を供給する。レギュレータ回路72において、最終段1に供給している電流を強制的に遮断することで、完全に最終段1の動作を停止できる。たとえば、アンテナが破損するなどにより、非常に大きなインピーダンス変動が発生し、復旧する見込みがない場合がある。このような場合、最終段1が異常発振し、想定される範囲を超えるコレクタ電流が流れるとともに、電池内部には過電流が流れ、配線が焼損することになる。このように、ベースバイアス回路70Aでは、最終段1の動作を完全に停止できない場合でも、レギュレータ回路72を用いることにより、このような破綻状態を防止することができる。
In a high frequency power amplifier according to another embodiment, a current is supplied from the
別の実施の形態の高周波電力増幅器では、最終段1の入力端子1Aに、抵抗値を変更できる安定化回路28が接続される。負荷インピーダンスの変動に伴い、最終段1の電力利得が増加した場合でも、安定化回路28の抵抗値を変更することにより、異常発振を抑制して高周波電力増幅器を安定に動作させることができる。
In a high-frequency power amplifier according to another embodiment, a
別の実施の形態の高周波電力増幅器では、高周波電力増幅器からみて定在波比(VSWR:Voltage Standing Wave Ratio)が3:1を超えない程度に負荷変動が比較的小さい場合、高周波電力増幅器の直線性を維持するために、駆動段2の利得制御により最終段1に入力される信号レベルを変化させることができる。
In the high frequency power amplifier according to another embodiment, when the load fluctuation is relatively small so that the standing wave ratio (VSWR) does not exceed 3: 1 when viewed from the high frequency power amplifier, the straight line of the high frequency power amplifier In order to maintain the characteristics, the signal level input to the
別の実施の形態の高周波電力増幅器では、比較出力電圧S6Aが出力されると、整合回路7と増幅器出力端子P2との間に接続されているインピーダンス変換回路53のインピーダンスを変更する。これにより、負荷インピーダンスが変動しても、高周波電力増幅器を安定に動作させることができる。
In the high-frequency power amplifier according to another embodiment, when the comparison output voltage S6A is output, the impedance of the
別の実施の形態の高周波電力増幅器では、2系統以上の出力経路に切り替え可能な高周波スイッチ64を整合回路7の出力端に備え、比較出力電圧S6Aが出力されると、高周波スイッチ64を切り替え、つねにアンテナのインピーダンスの終端状態が有利な経路を選択する。これにより、高周波電力増幅器を安定に動作させることができ、伝送品質も向上させることができる。
In the high frequency power amplifier according to another embodiment, a
別の実施の形態の各検出回路3、4では、温度変動により最終段1の電力利得が変化しても、あらかじめ温度変化量を考慮して、抵抗値に温度依存性を持たせているので、温度変動に対しても、差動増幅回路5から負荷インピーダンスの変動成分を正しく出力できる。
In each of the
別の実施の形態の安定化回路28では、少なくとも2組の抵抗と容量とを含むシャント構成の各副安定化回路28A、28Bを設け、少なくとも1組は固定で使用することにより、安定化回路が切り替わる瞬間に発生する、急激な電力利得の変化やノイズの発生を緩和することができる。
In the
別の実施の形態の高周波電力増幅器では、インピーダンス変換回路53は、実質的に特性インピーダンスが50オームで形成されている伝送線路54と、少なくとも1組の、互いに直列に接続されたコンデンサ55およびスイッチング素子56とで構成される。変換させたいインピーダンスにあわせて、伝送線路54の電気長と、コンデンサ55およびスイッチング素子56の挿入位置と、コンデンサ55の容量値とは、あらかじめ決められている。比較出力電圧S6Aが出力されると、スイッチング素子56をオンさせることで、所望のインピーダンスに変換することができる。
In another embodiment of the high-frequency power amplifier, the
以上のように、本発明の実施の形態によれば、W−CDMA方式のように、変調信号に振幅変化を伴うディジタル変調信号を増幅しアンテナへ供給する高周波電力増幅器において、利得変化検出部80を用いることにより、最終段1における電力利得の変化を検出することができる。すなわち、変調信号の振幅変化による電力の変動と、アンテナのインピーダンス変化による電力の変動を分離し、負荷インピーダンスの変動のみを検出できる。負荷インピーダンスの変動を検出することにより、制御部を用いて高周波電力増幅器の増幅動作を制御し、最終段1および高周波電力増幅器の動作を安定化することが可能となる。これにより、アイソレータのような方向性を有する部品がなくても、負荷変動に伴う大電力変動による破壊から高周波電力増幅器を保護し、小型・軽量、低消費電力で、安定に動作する高周波電力増幅器を提供できる。さらに、負荷インピーダンス変動に起因する変調精度の劣化、および信号波形の歪み成分の増加に伴う隣接チャネルへの悪影響を防ぐことができるので、送信品質の高い高周波電力増幅器を提供できる。以上のように、高周波電力増幅器および高周波電力増幅器を搭載する移動機の動作を安定化することが可能となる。
As described above, according to the embodiment of the present invention, as in the W-CDMA system, in the high-frequency power amplifier that amplifies the digital modulation signal accompanied by the amplitude change in the modulation signal and supplies the amplified signal to the antenna, the gain
さらに、本発明の実施の形態によれば、利得変化検出部80Aを用いることにより、駆動段2における電力利得の変化を検出し、また調整段90を用いることにより、電力利得の変化に基づいて、駆動段2の電力利得の変化を相殺するように調整段90の電力利得を調整することができる。これにより、調整段90と駆動段2とを合わせた増幅回路の電力利得の変化を、入力信号の大きさにかかわらず大略一定にすることができる。したがって、駆動段2をB級で動作させても、入力信号に対する電力利得の線形性を確保することができ、B級動作による低消費電力と、A級動作並の高い線形性の両立が可能となる。また、駆動段2のB級動作に起因する駆動段2の線形性の劣化を防止することができるので、CDMAのような振幅変動を含む変調信号の変調精度を高くするとともに、隣接チャネルへの高調波歪み成分の漏洩を低減することが可能となり、送信品質の高い高周波電力増幅器を提供できる。利得変化検出部80Aにより駆動段2における電力利得の変化を検出し、調整段90の電力利得を調整する構成は、負帰還回路になっており、負帰還回路内の各部品における製造のばらつきおよび温度特性のばらつきによる変動を低減して、電力利得の補償を安定的に達成することができる。
Furthermore, according to the embodiment of the present invention, a change in the power gain in the
また、利得変化検出部80の検出対象である最終段1、および利得変化検出部80Aの検出対象である駆動段2の個別の利得は、高々10〜15dB程度であり、検出誤差を十分小さくすることが可能である。したがって、負荷変動を正確に検出し、移動機の動作を安定化するとともに、利得変化を正確に検出し、高周波電力増幅器の線形性を改善することが可能となる。
The individual gains of the
なお、上述した実施の形態において、利得変化検出信号S5が所定値よりも大きくなると、最終段入力信号S1A、最終段出力信号S1B、および増幅器出力信号Poutのうち、少なくとも1つを制御していた。すなわち、制御する変調信号は、これら3種類のうち、いずれか1つでもよいし、いずれか2つでもよいし、さらに3つ全部でもよい。 In the above-described embodiment, when the gain change detection signal S5 becomes larger than a predetermined value, at least one of the final stage input signal S1A, the final stage output signal S1B, and the amplifier output signal Pout is controlled. . That is, the modulation signal to be controlled may be any one of these three types, any two, or all three.
なお、上述した実施の形態において、最終段1、駆動段2、および調整段90には、バイポーラトランジスタを使用しているが、バイポーラトランジスタとして、シリコンゲルマニウムトランジスタまたはシリコントランジスタのいずれであってもよい。さらに、バイポーラトランジスタの代わりに、電界効果トランジスタまたは絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor)を使用してもよい。さらに、上述した実施の形態では、最終段1および駆動段2に含まれるこれらのトランジスタは1個であったが、複数個で構成してもよい。
In the above-described embodiment, bipolar transistors are used for the
これらのトランジスタを用いて最終段1および駆動段2を構成する場合、代表的には、エミッタ接地またはソース接地が使用される。この場合、入力端子はベース端子またはゲート端子であり、出力端子はコレクタ端子またはドレイン端子であり、共通端子はエミッタ端子またはソース端子である。
When the
なお、上述した実施の形態では、振幅変化を伴うディジタル変調方式として、W−CDMAを含むCDMA方式を代表例とした。さらに、無線構内通信網(WLAN:Wireless Local Area Network)および地上ディジタル放送受信用携帯電話に用いられ、第4世代携帯電話にも提案されている直交周波数分割多重(OFDM:Orthogonal Frequency Division Multiplex)方式を別の代表例としてもよい。さらに、欧州中心のEDGE(Enhanced Data GSM Environment)方式を別の代表例としてもよい。 In the above-described embodiment, a CDMA system including W-CDMA is taken as a representative example as a digital modulation system with amplitude change. Furthermore, an Orthogonal Frequency Division Multiplex (OFDM) system that is used in wireless local area network (WLAN) and terrestrial digital broadcast receiving mobile phones and also proposed in 4th generation mobile phones. May be another representative example. Further, an EDGE (Enhanced Data GSM Environment) system mainly in Europe may be used as another representative example.
なお、最終段1の温度を検出し、温度検出信号を生成する温度検出部を、さらに設けてもよい。この場合、検出回路3に含まれる抵抗3Rと検出回路4に含まれる抵抗4Rは、温度検出信号に基づいて変化する。それゆえ、温度変化による最終段1の利得の変化分は、各検出回路3、4の減衰量の調整により補正され、利得変化検出信号S5の温度変化を大略ゼロにすることができる。
Note that a temperature detection unit that detects the temperature of the
以上、実施の形態におけるこれまでの説明は、すべて本発明を具体化した一例であって、本発明はこれらの例に限定されず、本発明の技術を用いて当業者が容易に構成可能な種々の例に展開可能である。 The above description of the embodiments is merely an example embodying the present invention. The present invention is not limited to these examples, and can be easily configured by those skilled in the art using the technology of the present invention. It can be expanded to various examples.
本発明は、高周波電力増幅器、半導体装置、および高周波電力増幅方法に利用できる。 The present invention can be used for a high-frequency power amplifier, a semiconductor device, and a high-frequency power amplification method.
1 増幅用トランジスタ(または最終段)
1A、2A、90A 入力端子
1B、2B、90B 出力端子
1C、2C、90C 共通端子
2 駆動段
3、4 検出回路
5 差動増幅回路
6A、6B 比較器
7、74、74A 整合回路
8、8A、9、10、91、92、93 トランジスタ
70A、70B、70C ベースバイアス回路
80、80A 利得変化検出部
90 調整段
L1、L2 インダクタンス負荷
P1 増幅器入力端子
P2、P2A、P2B 増幅器出力端子
VR1、VR2 可変抵抗
1 Amplifying transistor (or final stage)
1A, 2A,
Claims (24)
第2変調信号を第3変調信号に増幅する第2増幅段と、
第2変調信号および第3変調信号に基づいて、前記第2増幅段の利得の変化を検出し、利得変化検出信号を生成する利得変化検出部と、を有し、
前記第1増幅段または前記第2増幅段のうち少なくとも一方は、利得変化検出信号に基づいて利得が変化する、高周波電力増幅器。 A first amplification stage for amplifying the first modulated signal into a second modulated signal;
A second amplification stage for amplifying the second modulated signal into a third modulated signal;
A gain change detection unit that detects a gain change of the second amplification stage based on the second modulation signal and the third modulation signal, and generates a gain change detection signal;
A high-frequency power amplifier in which at least one of the first amplification stage and the second amplification stage changes in gain based on a gain change detection signal.
入出力のインピーダンスを整合し、第3変調信号を第4変調信号に変換する整合部と、
利得変化検出信号が所定値よりも大きくなると、第1変調信号、第2変調信号、第3変調信号、または第4変調信号のうち少なくとも1つを制御し、前記第2増幅段の動作を安定化する制御部と、を有し、
前記利得変化検出部は、第2変調信号と、第3変調信号または第4変調信号のうちいずれか一方とに基づいて、利得変化検出信号を生成する、請求項2に記載の高周波電力増幅器。 further,
A matching unit that matches input / output impedances and converts the third modulated signal to a fourth modulated signal;
When the gain change detection signal becomes larger than a predetermined value, at least one of the first modulation signal, the second modulation signal, the third modulation signal, and the fourth modulation signal is controlled to stabilize the operation of the second amplification stage. And a control unit
The high frequency power amplifier according to claim 2, wherein the gain change detection unit generates a gain change detection signal based on the second modulation signal and one of the third modulation signal and the fourth modulation signal.
第1入力端子、第1出力端子、および共通端子を有し、
第1変調信号を第1入力端子と共通端子との間に入力し、第2変調信号を第1出力端子と共通端子との間から出力し、
前記第2増幅段は、
第2入力端子、第2出力端子、および共通端子を有し、
第2変調信号を第2入力端子と共通端子との間に入力し、第3変調信号を第2出力端子と共通端子との間から出力する、請求項3に記載の高周波電力増幅器。 The first amplification stage includes:
A first input terminal, a first output terminal, and a common terminal;
The first modulation signal is input between the first input terminal and the common terminal, the second modulation signal is output from between the first output terminal and the common terminal,
The second amplification stage includes
A second input terminal, a second output terminal, and a common terminal;
The high frequency power amplifier according to claim 3, wherein the second modulation signal is input between the second input terminal and the common terminal, and the third modulation signal is output from between the second output terminal and the common terminal.
第1入力端子または第2入力端子のうち少なくとも一方に供給するバイアス信号を生成するバイアス信号生成部を含み、
利得変化検出信号が所定値よりも大きくなると、バイアス信号を遮断する、請求項5に記載の高周波電力増幅器。 The controller is
A bias signal generation unit that generates a bias signal to be supplied to at least one of the first input terminal and the second input terminal;
The high frequency power amplifier according to claim 5, wherein when the gain change detection signal becomes larger than a predetermined value, the bias signal is cut off.
第1出力端子または第2出力端子のうち少なくとも一方に供給する直流電力を生成する直流電力生成部を含み、
利得変化検出信号が所定値よりも大きくなると、直流電力を遮断する、請求項5に記載の高周波電力増幅器。 The controller is
A DC power generation unit that generates DC power supplied to at least one of the first output terminal and the second output terminal;
6. The high frequency power amplifier according to claim 5, wherein the DC power is cut off when the gain change detection signal becomes larger than a predetermined value.
前記制御部は、利得変化検出信号が所定値よりも大きくなると、抵抗の大きさを変更する、請求項5に記載の高周波電力増幅器。 The second amplification stage includes a resistor inserted between the second input terminal and the common terminal,
The high frequency power amplifier according to claim 5, wherein when the gain change detection signal becomes larger than a predetermined value, the control unit changes the magnitude of the resistance.
前記制御部は、利得変化検出信号が所定値よりも大きくなると、前記安定化回路のインピーダンスを低下させる、請求項5に記載の高周波電力増幅器。 The second amplification stage includes a stabilization circuit inserted between the second input terminal and the common terminal;
The high frequency power amplifier according to claim 5, wherein when the gain change detection signal becomes larger than a predetermined value, the control unit reduces the impedance of the stabilization circuit.
前記制御部は、利得変化検出信号が所定値よりも大きくなると、利得を減衰させる、請求項3に記載の高周波電力増幅器。 The first amplification stage includes a variable attenuator that attenuates the gain of the first amplification stage;
The high frequency power amplifier according to claim 3, wherein the control unit attenuates the gain when the gain change detection signal becomes larger than a predetermined value.
前記制御部は、利得変化検出信号が所定値よりも大きくなると、前記インピーダンス設定部のインピーダンスを変更する、請求項3に記載の高周波電力増幅器。 The matching unit includes an impedance setting unit connected to an output terminal of the matching unit,
The high-frequency power amplifier according to claim 3, wherein the control unit changes the impedance of the impedance setting unit when the gain change detection signal becomes larger than a predetermined value.
特性インピーダンスが大略50オームで形成された伝送線路と、
前記伝送線路の出力端に接続され、互いに直列に接続されたコンデンサおよびスイッチング素子と、を含み、
前記制御部は、利得変化検出信号が所定値よりも大きくなると、スイッチング素子をオンする、請求項11に記載の高周波電力増幅器。 The impedance setting unit includes:
A transmission line having a characteristic impedance of approximately 50 ohms;
A capacitor and a switching element connected to the output end of the transmission line and connected in series with each other;
The high-frequency power amplifier according to claim 11, wherein the control unit turns on the switching element when the gain change detection signal becomes larger than a predetermined value.
前記スイッチ部は、第4変調信号の経路を、少なくとも2つの経路のうちいずれか1つに切り替え、
前記制御部は、利得変化検出信号が所定値よりも大きくなると、経路を切り替える、請求項3に記載の高周波電力増幅器。 The matching unit includes a switch unit connected to an output terminal of the matching unit,
The switch unit switches the path of the fourth modulation signal to one of at least two paths;
The high frequency power amplifier according to claim 3, wherein the control unit switches a path when a gain change detection signal becomes larger than a predetermined value.
利得変化検出信号を所定値と比較し、利得変化検出信号が所定値よりも大きくなると、比較結果信号を生成する比較部を含み、
比較結果信号に基づいて制御する、請求項3に記載の高周波電力増幅器。 The controller is
Comparing the gain change detection signal with a predetermined value, and when the gain change detection signal becomes larger than the predetermined value, includes a comparison unit that generates a comparison result signal,
The high frequency power amplifier according to claim 3, wherein the high frequency power amplifier is controlled based on a comparison result signal.
前記第1増幅段は、利得変化検出信号に基づいて利得が変化する、請求項2に記載の高周波電力増幅器。 And a third amplification stage for amplifying the third modulated signal,
The high frequency power amplifier according to claim 2, wherein the first amplification stage changes in gain based on a gain change detection signal.
第2変調信号の大きさを表す第1検出信号を生成する第1検出部と、
第3変調信号または第4変調信号のうちいずれか一方の大きさを表す第2検出信号を生成する第2検出部と、
第2検出信号から第1検出信号を差し引いた差信号を表す利得変化検出信号を生成する差分部と、を含む、請求項1に記載の高周波電力増幅器。 The gain change detector is
A first detector for generating a first detection signal representing the magnitude of the second modulated signal;
A second detection unit that generates a second detection signal representing the magnitude of either the third modulation signal or the fourth modulation signal;
The high-frequency power amplifier according to claim 1, further comprising: a difference unit that generates a gain change detection signal representing a difference signal obtained by subtracting the first detection signal from the second detection signal.
前記第1検出部は、第1抵抗を含み、
前記第2検出部は、第2抵抗を含み、
前記第1抵抗および前記第2抵抗は、温度検出信号に基づいて、変化する、請求項20に記載の高周波電力増幅器。 And a temperature detection unit that detects a temperature of the second amplification stage and generates a temperature detection signal;
The first detection unit includes a first resistor,
The second detection unit includes a second resistor,
The high frequency power amplifier according to claim 20, wherein the first resistor and the second resistor change based on a temperature detection signal.
第2変調信号を第3変調信号に増幅するステップと、
第2変調信号および第3変調信号に基づいて、前記第3変調信号に増幅するステップにおける利得の変化を検出し、利得変化検出信号を生成するステップと、を有し、
前記第2変調信号に増幅するステップまたは前記第3変調信号に増幅するステップのうち少なくとも一方は、利得変化検出信号に基づいて利得が変化する、高周波電力増幅方法。 Amplifying the first modulated signal to a second modulated signal;
Amplifying the second modulated signal to a third modulated signal;
Detecting a change in gain in the step of amplifying the third modulation signal based on the second modulation signal and the third modulation signal, and generating a gain change detection signal,
At least one of the step of amplifying to the second modulation signal or the step of amplifying to the third modulation signal is a high frequency power amplification method in which a gain changes based on a gain change detection signal.
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